Место действия — отдельные атомы. Сюжет — их внутренняя жизнь. Время действия — аттосекунды

За что дали Нобелевскую премию по физике 2023 года?

Нобелевскую премию по физике в 2023 году получили трое ученых из США, Германии и Швеции: Пьер Агостини, Ференц Краус и Анн ЛʼЮилье с формулировкой «за экспериментальные методы, генерирующие аттосекундные импульсы света для изучения динамики электронов в веществе». Как часто случается с формулировками Нобелевского комитета, почти каждое слово в ней требует пояснения, а может быть, и отдельного рассказа. Но самое главное в этой формулировке — это, конечно, слово «аттосекунда», с него и начнем.

Что такое аттосекунды и чем они так уж необычны?

Формально говоря, «атто-» — это такая же обычная приставка для единиц международной системы СИ, как и «милли-», «микро-», «санти-» и (с недавних пор широкоизвестная) «нано-». Аттосекунда — это, соответственно, 10⁻¹⁸ части секунды, одна миллиардная одной миллиардной ее части. Тысяче аттосекунд соответствует единица времени чуть крупнее — фемтосекунда, то есть 10⁻¹⁵ секунды.

Тем не менее очень часто в контексте этих единиц звучат слова «фемтосекундные лазеры», «фемтофизика», «аттофизика» и так далее. То есть сама по себе приставка как бы значит нечто, иронично говоря, гораздо большее. И это действительно так: аттофизика, то есть процессы, идущие с характерным временем в несколько аттосекунд, принципиально отличаются от фемтофизики — событий, которые занимают на три порядка больше времени. Собственно, если совсем опустить подробности, то именно в этом и заключается заслуга нынешних лауреатов, за это и присудили премию — за создание области науки, которая занимается процессами, протекающими в совершенно отдельной, ранее недоступной части шкалы времени.

Представить себе, что такое аттосекунда, довольно сложно. Многие популяризаторы приводят такое мысленное сравнение. Вообразим, что аттосекунда — это какой-то очень короткий, но все-таки понятный промежуток времени — например, время, которое требуется для того, чтобы один раз моргнуть (в реальности это несколько десятков миллисекунд). Так вот, если аттосекунда — это один такой миг, то обычная секунда будет примерно равна всему времени жизни Вселенной, то есть около 14 миллиардов лет.

Такое пропорциональное сравнение может что-то передать в ощущениях, но физики на самом деле думают о шкале времени немного иначе. Не через сравнение времени со временем, а через физические процессы: какие из них могут, а какие никак не могут происходить в рамках тех времен, что служат предметом изучения. И тогда движение по шкале времени от секунд к миллисекундам, от микросекунд к наносекундам оказывается поразительно похожим на взгляд в микроскоп — с каждым новым увеличением «временной линзы» возникает свой собственный мир (к слову, этому движению посвящен прекрасный образовательный спецпроект научно-популярного сайта «Элементы.ру»).

Например, миллисекунды — это вполне еще «человеческая» единица. Мы вполне можем заметить движение, измеряемое в них: время, за которое срабатывает затвор фотокамеры или лопается мыльный пузырь

Микросекунды уже недоступны для человеческого ощущения — видимое нам движение на этой ступеньке временной шкалы фактически замирает. Например, даже пуля, вылетев из ствола, за микросекунду может сдвинуться лишь на пару миллиметров. То же справедливо и относительно звуковой волны: звука на этой ступеньке уже нет и вся обычная атмосферная акустика с ее законами оказывается за бортом такой, условно говоря, «микрофизики». Остаются некоторые движения в твердом теле — например, трещины способны распространяться с куда большей скоростью, чем пули, и именно в этом, микросекундном мире изучают их поведение.

Наносекунды — это мир двигающихся молекул. С соответствующими характерными временами проходит их соединение в кристаллы или, наоборот, плавление. В наносекундах измеряется время, необходимое для работы ферментов и вообще белковых молекул.

Пикосекунды — это мир двигающихся атомов, здесь на передний план выходит тепловое движение.

А фемтосекунды (предпоследняя остановка в пути) долгое время считались пределом того, что в принципе можно экспериментально изучать в современной физике. Это довольно сильное заявление, которое хорошо бы пояснить.

Дело в том, что для изучения чего-то во времени необходимо иметь инструмент, который мог бы выступить какой-то (в широком смысле) «камерой» для съемки происходящего. Все механические приспособления, которые мы могли бы для этого использовать, остались в диапазоне милли- и микросекунд. Все остальные диапазоны времен изучаются с помощью оптических инструментов — то есть, в конечном счете, с помощью очень коротких вспышек света. Но насколько короткой вообще может быть такая вспышка?

Если вспомнить, что свет — это электромагнитное колебание, станет понятно, что, в принципе, самая короткая вспышка света — это время, за которое свет проходит расстояние в одну длину своей волны, в одно колебание. В реальности, конечно, для измерения должно быть несколько таких колебаний, но одно — это жесткий предел.

Скорость света — примерно 300 тысяч километров в секунду в вакууме (за это время он может семь раз обогнуть экватор); длина волны обычного света находится в диапазоне 300–700 нанометров. Но одна фемтосекунда — это настолько невообразимо короткий промежуток времени, что даже свет с его безумной скоростью за это время может преодолеть как раз около 300 нанометров, то есть одну длину волны в оптическом диапазоне.

Чтобы изучать происходящее на еще более глубоком уровне — уровне аттосекунд, — нужны вспышки еще короче, но это принципиально невозможно без изменения длины волны, а длина волны часто «привязана» к тому типу источников, с которыми ученые работают. Можно, конечно, пытаться искать какие-то новые источники света — ультрафиолетовые, рентгеновские лазеры и т. д. (их длины волн — это десятки и единицы нанометров), — но это чисто технически очень сложно и сопряжено с переделкой вообще всего инструментария.

Решение, с помощью которого удалось погрузиться на еще более глубокий — аттосекундный — уровень, оказалось гораздо более изящным. И именно за него была присуждена нынешняя премия.

Как получить вспышку света короче длины его волны?

Решение лауреатов появилось не мгновенно. Ему предшествовала серия экспериментов, начало которым положила Анн ЛʼЮилье еще в 1987 году. Тогда ей удалось обнаружить, что вспышки инфракрасного лазера вызывают, проходя через разреженные атомы благородного газа, вторичное излучение — и его длина волны оказывается гораздо меньше, чем длина волны исходного излучения (примерно в 5–30 раз, из исходной инфракрасной вспышки возникает жесткий ультрафиолет). Прошло более десятка лет, и в 2001 году два других лауреата, Краус и Агостини, использовали это явления для того, чтобы впервые опуститься ниже фемтосекунды, — они получили вспышки длиной 650 и 250 аттосекунд соответственно. И их уже можно было использовать для первых экспериментов на этой новой временной ступеньке физики.

Как именно возникает это вторичное излучение и что там происходит с атомом — история гораздо более сложная и на самом деле не принципиально важная для понимания общего принципа. Если вкратце, то энергия вспышки фемтосекундного лазера оказывается настолько большой, что выбивает из атома газа электрон. Оторвавшись от атома, он разгоняется этой же вспышкой, но часто не может улететь далеко, а возвращается назад, — но уже с сильно увеличенной энергией. Чтобы занять свое исходное место на электронных орбиталях атома, эту избыточную энергию электрон должен отдать — и отдает он ее как раз в форме коротковолнового излучения, а его частота зависит от мощности исходной вспышки, это важно для настройки всего процесса. Более точное описание процесса можно прочитать в небольшой статье физика Евгения Онищенко.

С одной стороны, вроде бы ничего удивительного в том, что можно облучить газ лазером и получить высокочастотное излучение, нет. Мало ли на свете ультрафиолетовых и даже рентгеновских источников. Но важно понять, что новизна здесь именно в том, что получающаяся вспышка этого вроде бы «обычного» излучения оказывается необычайно короткой — примерно такой, как и вызывавшая ее вспышка фемтосекундного лазера. Соединяя такие вспышки друг с другом, можно благодаря взаимоналожению волн выделять отдельные аттосекундные вспышки. Грубо говоря, раньше физики бились с дилеммой: либо короткий лазерный импульс, но большая длина волны, либо короткая длина волны, но в форме вспышки, размазанной по времени. Нынешним лауреатам удалось в одном месте получить и то и другое — и, таким образом, шагнуть за пределы вроде бы «жесткого» предела фемтосекундной физики.

Есть ли у аттофизики уже какие-то практические применения?

Есть, но потенциальных пока гораздо больше, чем актуальных. Процессы, происходящие с масштабом времени аттосекунд, — это исключительно процессы внутри единичного атома, для которых остального мира с его химическими связями, молекулами или движущимися телами как бы вовсе не существует. Поэтому основная сфера их применения — это изучение взаимодействия между собой электронов в атоме, их возбуждение, релаксация и все, что происходит в этом диапазоне.

Однако та же группа Крауза, одного из лауреатов, предложила несколько неожиданное и изящное применение новой технологии. С помощью импульсов, аналогичных описанным выше, можно детектировать интересующие вещества в биологических жидкостях и вообще в любых нужных образцах, не используя при этом жесткое ионизирующее излучение. В ответ на импульс разные молекулы возвращают энергию в разных временных паттернах, которые авторы называют «отпечатками пальцев». Они и используются для того, чтобы отличить разные вещества друг от друга. Пока эта технология находится на самом раннем этапе развития, поэтому сложно сказать, насколько большую нишу она займет среди аналогичных аналитических методов.

«Медуза»

Фото на обложке: Bengt Oberger / Wikimedia Commons; C.laschinger / Wikimedia Commons; Ohio State University