Svet bojových umení, len rýchlo.
Niekedy zadáme veľmi krátky čas, opísaný ako „čas tlkotu srdca“ a trvanie tlkotu srdca je 10 až 18 mocnina sekundy.
V nedávnom experimente podobnom stop-motion fotografii tím vedcov zo Spojených štátov a Nemecka po prvý raz zachytil „zmrazovacie snímky“ elektrónov pohybujúcich sa v tekutej vode v reálnom čase a výsledky boli publikované v časopise Science.
Odborníci z poroty vysvetľujú výsledky výskumu laureátov Nobelovej ceny za fyziku za rok 2023 na vyhlásení Nobelovej ceny za fyziku za rok 2023 v Štokholme, Švédsko, 3. októbra 2023
Podľa odborníkov výsledok predstavuje veľký pokrok v experimentálnej fyzike, pretože poskytuje okno do elektronickej štruktúry molekúl v kvapalinách na časových mierkach, ktoré boli predtým nedosiahnuteľné röntgenovými lúčmi. Predtým boli vedci schopní rozlíšiť pohyb elektrónov iba na pikosekundovej (1 sekunda=1 bilión pikosekúnd) časovej škále. Teraz schopnosť študovať elektronické reakcie röntgenových lúčov zasahujúcich cieľ na úrovni attosekundy umožňuje výskumníkom ponoriť sa do chemických reakcií vyvolaných žiarením miliónkrát rýchlejšie ako predchádzajúce metódy.
Všetko nasvedčuje tomu, že práve attosekundový laser môže byť kľúčom k odomknutiu tajomného sveta elektroniky.
Čo je to "attosekunda"?
Pre bežných ľudí je attosekunda mimoriadne zvláštny pojem.
V skutočnosti, už v období bojujúcich štátov, slávny čínsky mysliteľ, mŕtvola Kao, predložila „štyri strany hore a dole povedali Yu, staroveký a moderný povedal Zeus“, jednoduchý pohľad na priestor a čas. K dnešnému dňu, v popredí fyzikálneho výskumu, priestor a čas sú stále najdôležitejšie a najzákladnejšie dve dimenzie.
Pokiaľ ide o ľudské zmysly, pri rýchlom pohybe objektu sú jeho obrazy rozmazané a prekrývajú sa a zmeny, ktoré sa vyskytujú vo veľmi krátkom čase, nie je možné pozorovať. Pre vedcov je preto dôležité vyvinúť presnejšie „okná času“ na zachytenie alebo zobrazenie týchto veľmi krátkych momentov.
V 19. storočí sa vo fyzike veľa hovorilo a diskutovalo o otázke: keď kôň beží, opúšťajú všetky štyri nohy súčasne zem?
Americký podnikateľ Leland Stanford sa o túto otázku veľmi zaujímal. Aby si túto domnienku overil, oslovil slávneho fotografa Edvarda Muybridgea. V tých časoch sa ešte nezrodila funkcia videa, kedy doba odozvy spúšte fotoaparátu bola 15 sekúnd, niekedy dokonca až minúta.
Kone by nespomalili, aby sa postarali o spúšť fotoaparátu a ich klepotajúce kopytá boli najväčšou prekážkou overenia tejto hypotézy. Edvard Maibridge sa len tak ľahko nevzdal, mal dobrý nápad nielen vylepšiť dizajn uzávierky fotoaparátu, ale umiestniť na dráhu aj 12 kamier a mechanizmov. Kedykoľvek sa kôň priblížil k fotoaparátu, mechanizmus sa spustil a urobila sa fotografia. Nakoniec dal dokopy tých 12 fotiek, čo je celý proces behu koňa.
Pri pohľade na spojené fotografie ľudia čoskoro našli odpoveď na otázku: keď kôň beží, dokáže skutočne zachytiť okamih – jeho štyri nohy súčasne opúšťajú zem.
Dňa 3. októbra 2023 Kráľovská švédska akadémia vied oznámila, že udelila tohtoročnú Nobelovu cenu za fyziku Pierrovi Agostinimu, Ferencovi Kraussovi a Anne Lhuillierovej za ich „experimentálnu metódu generovania attosekundových svetelných impulzov na štúdium dynamiky elektróny v hmote."
"Teraz môžeme otvoriť dvere do sveta elektrónov. Attosekundová fyzika nám dala príležitosť pochopiť mechanizmy elektronického riadenia. Ďalším krokom bude ich využitie." Hovorí to Eva Olsonová, predsedníčka Nobelovho výboru za fyziku.
Keď vedci ponorili svoju perspektívu do sveta elektrónov, zistili, že rýchlosť zmeny polohy a energie sa pohybuje od jednej do niekoľkých stoviek attosekúnd, kde jedna attosekunda je jedna miliardtina sekundy. Technológia attosekundového pulzného svetla je najrýchlejšia časová mierka, ktorú má ľudstvo v súčasnosti k dispozícii, a je ako pravítko, čím jemnejšia je mierka pravítka, tým vyššia je presnosť merateľného.
Yuan Lanfeng, zástupca riaditeľa Katedry vedeckej a technologickej komunikácie, School of Humanities and Social Sciences, University of Science and Technology of China, povedal, že attosekundový svetelný impulz možno chápať ako princíp vysokorýchlostnej kamery a že kamera s vysokou reakčnou rýchlosťou je potrebná na zachytenie nádherných momentov pohybového procesu človeka. Attosekundový svetelný impulz je „vysokorýchlostná kamera“ vo výskume mikroskopických reakcií.
V minulosti bol časový limit pre laserové impulzy „femtosekundy“, čo stačilo na to, aby ľudia videli atómy, ale pre elektróny bolo časové rozlíšenie „femtosekúnd“ také hrubé, že podľa tejto stupnice bolo možné získať iba efekt podobný mozaike. Pokrok koherentných svetelných impulzov od femtosekúnd
Postup koherentných svetelných impulzov z femtosekúnd na attosekundy nie je len jednoduchým pokrokom v časovom meradle, ale čo je dôležitejšie, zlepšuje schopnosť ľudí študovať štruktúru hmoty od pohybu atómov a molekúl až po vnútro atómov, kde môžu skúmať pohyb a korelačné správanie elektrónov, čo povedie k veľkej revolúcii v základnom fyzikálnom výskume.
Čo attosekunda prinesie bežným ľuďom?
Jedného dňa v roku 1999 Ahmed Xavier, profesor Kalifornského technologického inštitútu, získal za svoj objav Nobelovu cenu za chémiu. Xavierov výskum v 80. rokoch 20. storočia pomocou laserového lúča na filmovanie oscilácií atómov v prechodovom stave pomohol vedcom pozorovať atómy a molekuly v procese chemických reakcií v „pomalom pohybe“, a tak študovať povahu a štruktúru prechodný stav. Z tohto dôvodu je Xavier známy aj ako „otec femtosekundovej chémie“.
Odvtedy vedci prišli na to, že lasery, podobne ako blesky, dokážu zachytiť tie prchavé momenty. Tento objav poskytol teoretický základ pre sériu prevratných štúdií.
Dnes sa rýchlosť tohto lasera zvýšila tisíckrát, čím sa úspešne realizovala drastická zmena z femtosekúnd na attosekundy.
Keď dnes ľudia spomenú femtosekundový laser, často si vybavia množstvo aplikácií, ktoré predstavuje operácia krátkozrakosti femtosekundovým laserom. A pokiaľ ide o attosekundový laser, zdá sa, že je ťažké spojiť tento pojem s produktívnym životom bežných ľudí.
Yuan Lanfeng úprimne povedal, "sekundový laser sa v súčasnosti veľmi nepoužíva, jeho aplikácia sa práve začala a stále je uviaznutý v základnom výskume." To však neznamená, že attosekundový svetelný impulz nemá aplikačný potenciál, „otvára dvere, ale to, čo je za týmito dverami, nás ešte potrebuje preskúmať do hĺbky“. Povedal.
Čo je teda za tými dverami?
Pulzný ablačný systém fotografovaný v stánku Medtronic v sekcii zdravotnícke pomôcky a zdravotná starostlivosť na 6. veľtrhu 5. novembra 2023
„Pohyb elektrónov je zodpovedný za generovanie svetla, ako aj za vznik a rušenie chemických väzieb, ktoré menia štruktúru biomolekúl a ich funkciu v živých systémoch, a za čo najrýchlejšie spracovanie informácií...... Dnes používame tzv. attosekundové svetelné impulzy, aby sme lepšie pochopili mikroskopické procesy zahŕňajúce elektróny, atómy a molekuly a zistili, ako ovplyvňujú makroskopický svet." Predtým, po víťazstve Wolfovej ceny za fyziku, Ferenc Krauss uviedol hodnotu aplikácií attosekundovej fyziky týmto spôsobom.
Eva Olsonová na druhej strane povedala, že attosekundová fyzika nám dáva príležitosť pochopiť mechanizmy elektronického riadenia, čím sa otvára cesta pre potenciálne aplikácie v elektronickom informačnom priemysle a medicíne.
Wei Zhiyi, výskumník z Fyzikálneho ústavu Čínskej akadémie vied, verí, že technológiu možno kombinovať so supravodivosťou, nanomateriálmi, fotovoltaickým priemyslom, farmaceutikou, laserovou medicínou a inými oblasťami, aby sa podporilo hlbšie pochopenie štruktúry. hmoty ľudstvom, čo povedie k relevantným revolučným pokrokom.
Nepochybne, hoci súčasná aplikácia attosekundovej fyziky je stále vzdialená predstavám niektorých ľudí, má mimoriadne širokú škálu aplikačných scenárov.
Poskytuje ľudstvu pár „inteligentných očí“ na štúdium mikroskopického sveta.
S jeho podporou už mnohé mikroskopické procesy nebudú vyžadovať potvrdenie „nepriamych dôkazov“, ale možno ich priamo pozorovať: attosekundový laser možno použiť na fotografovanie rôznych procesov vysokorýchlostného pohybu, ako sú chemické reakcie, molekulárne pohyb a pohyb v atómovom meradle.
Fotografovanie chemických reakcií pomocou attosekundových laserov môže vedcom pomôcť lepšie pochopiť reakčné mechanizmy a ďalej zlepšovať chemické procesy. Fotografovanie pohybov molekúl a atómov pomocou attosekundových laserov môže odhaliť ich interakcie a kinetické procesy, ktoré sú dôležité pre výskum materiálovej vedy a biovedy.
V oblasti biomedicíny sa napríklad očakáva, že zobrazovacia technológia attosekundových impulzov s vysokým rozlíšením zlepší včasnú diagnostiku a liečbu chorôb a poskytne nové prielomy pre štúdium rakoviny, neurologických chorôb a iných veľkých medicínskych problémov.
Je zrejmé, že tím Ferenca Kraussa sa tiež pokúša použiť femtosekundové a attosekundové techniky na analýzu vzoriek krvi a detekciu malých zmien v nich. Analyzujú, či sú tieto zmeny dostatočne špecifické na to, aby dokázali jasne diagnostikovať ochorenie v počiatočnom štádiu ochorenia, táto technológia môže mať významný vplyv na štúdium rakoviny a iných ťažkých chorôb.
Zrýchlenie „attosekundovej éry“?
V roku 2021 časopis Science zverejnil „125 najmodernejších vedeckých problémov na svete“, z ktorých viac ako 10 musí vyriešiť ultrarýchla veda. Očakáva sa, že vznik attosekundových impulzov povedie k originálnejším inováciám vo viacerých oblastiach vedeckého a aplikovaného výskumu.
Attosekundový laser nie je dar prírody, ale zázrak vytvorený človekom.
Francúzska fyzička Anne Lhuillier bola prvá, ktorá objavila nástroje na otvorenie sveta attosekúnd. v roku 1987 robila experimenty s ionizáciou plynu, vlnová dĺžka 1064 nanometrov laserového svetla na argón a niekoľko ďalších vzácnych plynov, plyn sa zdal byť inej farby ako predchádzajúce experimenty.
Potom publikovala kľúčový dokument, v ktorom objavila fenomén vysokých harmonických generovaných silným laserovým ožiarením vzácnych plynov, a získala typickú spektrálnu štruktúru vysokých harmonických, ktorých spektrálna šírka bola schopná podporovať impulzy v ráde attosekúnd, čo poskytuje nevyhnutné podmienky na prelomenie laserových impulzov na attosekundy. Odvtedy sú jej výskumná kariéra a attosekundové lasery úzko prepojené a o 16 rokov neskôr viedla tím výskumníkov, aby vytvoril svetový rekord pre najkratší laserový impulz 170 attosekúnd.
K „attosekundovej budove“ sa pridali aj ďalší dvaja vedci, ktorí spolu s ňou získali Nobelovu cenu za fyziku: Maďar Ferenc Kraus viedol tím výskumníkov, ktorí v roku 2001 vytvorili a zmerali prvý attosekundový svetelný impulz a použili ho na zachytenie pohyb elektrónov vo vnútri atómov, čo znamená zrod attosekundovej fyziky. Okrem toho sa jeho tímu podarilo izolovať impulzy trvajúce 650 attosekúnd, čo je prvýkrát, čo vedci úspešne sledovali oddelenie elektrónov od atómov. Francúz Pierre Agostini, líder v interakcii laserov so silným poľom s atómami, a jeho tím boli priekopníkmi attosekundovej fyziky tým, že po prvýkrát generovali a merali attosekundové svetelné impulzy a použili ich na zachytenie pohybu elektrónov vo vnútri atómov.
Dnes viac vedcov súťaží o prvé miesto v tejto oblasti v mnohých častiach sveta.
V laboratóriu sú plodné výsledky časté: v roku 2022 výskumníci z University of Michigan a University of Regensburg v Nemecku spolupracovali na zachytení pohybu elektrónov v priebehu niekoľkých stoviek attosekúnd, čo je doteraz najrýchlejšia rýchlosť.
V tom istom roku tím výskumníkov z Centra pre pokročilú fotoniku na Inštitúte vedy a chémie RIKEN v Japonsku a Tokijskej univerzite spolupracoval na vývoji nového typu interferometra na riešenie okrajov vznikajúcich v dôsledku optickej interferencie pochádzajúcej z attosekundových impulzov. a kvantová interferencia s elektronickými stavmi v hmote. Preukázali uskutočniteľnosť schémy interferometra postgeneratívnym štiepením vysoko harmonických impulzov prostredníctvom experimentov so vzorkami atómov hélia.
Okrem toho sa začala medzinárodná výstavba a súťaž o zariadenie s attosekundovým laserom. Európska únia, obhajovaná nositeľom Nobelovej ceny za fyziku Gérardom Mourou a ďalšími, prevzala v Maďarsku vedúcu úlohu pri výstavbe európskeho zdroja extrémneho svetla – Altosekundového svetelného zdroja (ELI-ALPS) a podporila výstavbu medzinárodne uznávaných spoločností ako napr. ako Fastlite, Active Fiber a Light Conversion. Spoločnosti s laserovými technológiami, ako sú Fastlite, Active Fiber, Light Conversion a ďalšie medzinárodne uznávané iterácie a modernizácie produktov, tieto laserové technológie novej generácie budú hrať dôležitú úlohu v pokročilej výrobe, národnej obrannej vede a technológii a ďalších oblastiach.
V Číne príslušné vedecké výskumné jednotky realizujú vo veľkom meradle výstavbu infraštruktúry attosekundových svetelných zdrojov, ako je Fyzikálny ústav Čínskej akadémie vied a Laboratórium materiálov pri jazere Songshan v Dongguan, provincia Guangdong, jazero Songshan na vybudovanie attosecond vedecké centrum. Rozumie sa, že po dokončení tohto centra sa očakáva dosiahnutie medzinárodných predstihových komplexných ukazovateľov.
