«Кино» о жизни электронов: простыми словами о нобелевском открытии по физике

© Фото: Midjourney

Нобелевская премия 2023 года по физике присуждена трем ученым-экспериментаторам — Пьеру Агостини (США), Ференцу Краузу (Германия) и Анне Л’Юлье (Швеция) за создание экспериментальных методов генерации аттосекундных импульсов света для исследования динамики электронов в веществе.

Рябикин Михаил Юрьевич

ведущий научный сотрудник сектора моделирования сверхбыстрых оптических процессов Института прикладной физики РАН, кандидат физико-математических наук

Благодаря разработкам нынешних лауреатов в распоряжении экспериментаторов теперь имеются компактные источники импульсов вакуумного ультрафиолетового и рентгеновского излучения беспрецедентно короткой — аттосекундной — длительности. Следует пояснить, что одна аттосекунда — это чрезвычайно короткий интервал времени, длительность которого составляет всего десять в минус восемнадцатой степени секунды.

Длительность наиболее коротких получаемых сегодня импульсов — менее сорока аттосекунд, что примерно в пять раз меньше периода обращения электрона вокруг протона по наименьшей круговой орбите в боровской модели атома. Это означает, что с использованием столь коротких световых импульсов становится возможным получение серий «мгновенных снимков» электронов в процессе их движения внутри атомов или молекул, составляя из них своеобразное «кино» о жизни электронов внутри атомов или молекул в ходе тех или иных внутриатомных или внутримолекулярных процессов. Чтобы кадры в этом «кино» были не размытыми, необходимо очень быстро «включать» и «выключать» свет на столь короткие промежутки времени, чтобы объекты «съемок» (электроны) не успевали заметно сместиться за это время.

Такие манипуляции недоступны ни человеку, ни каким-либо механизмам, ни даже самой современной электронике. На помощь людям здесь пришли мощные фемтосекундные лазерные источники, благодаря которым оказалось возможным отрывать электроны от атомов, ускорять их, а затем сталкивать снова с родительскими ионами, получая на выходе желаемые экстремально короткие вспышки света, испускаемые при таких столкновениях.

Следует понимать, что, когда говорится о мгновенных снимках электронов, вовсе не имеется в виду возможность посмотреть на них, сфотографировать и т.д. Размеры электронов на много порядков меньше того, при котором они могли бы быть доступны для прямого наблюдения. Информация о состоянии электронов в момент зондирования извлекается косвенным образом: путем анализа угловых и энергетических распределений частиц (фотонов, электронов, ионов или фрагментов молекул), возникающих при воздействии импульсов на исследуемое вещество.

Почему же так важно уметь «наблюдать» за электронами и какую практическую пользу это может принести? Все дело в том, что электроны — самые легкие и, следовательно, самые мобильные частицы вещества. Именно поэтому практически все процессы (например, химические реакции), возникающие при взаимодействиях атомов или молекул друг с другом или с внешними полями, начинаются с движения электронов, их переходов в другие состояния и т.д. Получая из экспериментов сведения о динамике электронов и различных возможных сценариях такой динамики, можно (в том числе и используя аттосекундные импульсы) управлять этой реакцией, направляя ее по нужному руслу.

Следует также отметить, что временное разрешение, обеспечиваемое применением аттосекундных импульсов, позволяет наблюдать и разрешать во времени ряд процессов, о существовании которых ранее никто даже не догадывался. Яркий пример: эксперименты, в которых с использованием аттосекундных импульсов удалось впервые зарегистрировать и прописать во времени электронные процессы внутри диэлектриков, приводящие к превращению этих диэлектриков в проводники и обратно под действием ультракоротких инфракрасных лазерных импульсов. Предполагается, что такие быстрые переходы лягут в основу новых электронных переключателей и других устройств с быстродействием в тысячи раз более высоким, чем в современной электронике.

Работы в области аттосекундной физики бурно развиваются и расширяются. Одним из перспективных направлений для получения еще более ярких и коротких (вплоть до зептосекундных, т.е. в тысячу раз более коротких, чем аттосекундные) вспышек света является использование релятивистских взаимодействий мощного лазерного излучения с твердотельными мишенями. Использование получаемых при этом импульсов даст возможность изучения процессов, связанных с движением нуклонов внутри атомных ядер. В России работы в этом направлении будут проводиться совместно сотрудниками ИПФ РАН и Национального центра физики и математики под научным руководством Александра Михайловича Сергеева.

Нобелевскую премию по физике получили ученые, создавшие способ наблюдения за электронами

Что дало человечеству «нобелевское» открытие в физике

Тест: Хорошо ли вы знаете историю Нобелевской премии?