Laureatami Nagrody Nobla z fizyki w 2023 roku zostali Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier. O tym, dlaczego właśnie oni, ile właściwie trwa attosekunda i co można zaobserwować dzięki tak krótkim impulsom, rozmawiają dr hab. Krzysztof Dzierżęga, prof. UJ z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ oraz prof. dr hab. Marek Stankiewicz z Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS.

 

Tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki została przyznana za „doświadczalne metody pozwalające na generację attosekundowych impulsów światła w celu badania dynamiki elektronów w materii". Co to właściwie znaczy?

dr hab. Krzysztof Dzierżęga, prof. UJ: Można powiedzieć, że ta Nagroda Nobla została przyznana za stworzenie narzędzia badawczego wykorzystującego lasery femtosekundowe, które umożliwia obserwację ruchu elektronów w materii – w atomach, cząsteczkach czy ciałach stałych. Pani Anne L’Huillier odkryła i zbadała zjawisko tzw. generacji wyższych harmonicznych (promieniowanie zawierające częstości będące wielokrotnością częstości podstawowej) po przejściu impulsu lasera femtosekundowego z zakresu bliskiej podczerwieni przez strumień gazu szlachetnego. Dzięki temu możliwym okazało się złamanie kolejnej granicy, jaką były impulsy femtosekundowe i powstanie impulsów attosekundowych, które udało się wytworzyć w grupach F. Krausza i P. Agostiniego. Tak krótkie impulsy światła stanowiące jedną miliardową jednej miliardowej sekundy, są swego rodzaju lampą stroboskopową i pozwalają na badanie tak szybkich ruchów, jakie wykonują elektrony w materii.

prof. dr. hab.Marek Stankiewicz: To jest trudne do wyobrażenia, jak krótki jest to impuls, to jest 10 do potęgi minus 18 części sekundy. Czyli ile? Kolega wspominał, że jedna milionowa jednej milionowej, ale trudno to do czegokolwiek porównać. Większość komentatorów mówi, że to jak jedna sekunda do czasu trwania naszego Wszechświata.

To jest przekroczenie następnej granicy w możliwości obserwacji bardzo szybkich zjawisk. Tak się składa w historii, że ludzie chcą obserwować rzeczy, które się dzieją bardzo szybko, a nasze oczy na to nie pozwalają, więc trzeba używać pewnych instrumentów czy też trików. I tutaj kolega wspomniał o migawce. Krótki czas ekspozycji w aparacie fotograficznym pozwala  nam zarejestrować moment, w jakim jest nasz układ. Podobny efekt da nam oświetlenie układu bardzo krótkim impulsem światła (lampą błyskową).

Generacja impulsów attosekundowych to przekroczenie następnej bariery, bo mieliśmy już impulsy femtosekundowe, czyli 10 do minus 15 sekundy. To też dla większości z nas może  być niezrozumiały termin, ale powiedzmy, że to są niezwykle  szybkie impulsy laserowe, i to jest granica  impulsów laserowych, krótszych nie wydobędziemy.

Natomiast tutaj, nie wnikając w  mechanizm generacji za daleko, Anne L’Huillier, jedna z laureatek, zaobserwowała, że w przypadku oświetlenia takimi krótkimi, bardzo mocnymi - co trzeba podkreślić - impulsami laserowymi, zbiorowisk atomów w gazie generowane są tzw. „wyższe harmoniczne”, czyli ciągi fotonów o bardzo wysokiej , trochę zróżnicowanej energii. I następnie z udziałem dwóch pozostałych  współlaureatów  temat był rozwijany, co doprowadziło do generacji pojedynczych impulsów attosekundowych.

Te 1000 razy krótsze od najkrótszych laserowych impulsy świetlne powstają w wyniku interferencji wysokich harmonicznych. I to jest niesamowite, że teraz mamy dostępną  lampę błyskową o tak krótkim błysku, dzięki czemu możemy obserwować efekty, które trwają właśnie tyle, ile trwa błysk tej lampy, tego naszego impulsu attosekundowego. W takiej skali czasowej poruszają się elektrony w materii w atomach, molekułach i tak dalej. Czyli możemy zrobić, mówiąc skrótowo, zdjęcie elektronu, gdzie on jest, i to jest niesamowite.

KD: Ja bym tutaj jeszcze dodał, że to nie tylko Nagroda Nobla za to, że takie impulsy zostały wytworzone, ale co bardzo ważne, również za opracowanie techniki, która pozwala je mierzyć, czyli pokazuje, że one rzeczywiście mają te kilkadziesiąt attosekund. To są zawsze dwie kwestie. Gdy coś wytworzymy, musimy móc to jeszcze zmierzyć i w tym przypadku powstała technika zwana w skrócie „RABBIT”.

MS: No i tu kolega się tym zajmuje podobnymi sprawami…

KD: Może nie tak szybkimi procesami, a jedynie w domenie kilkudziesięciu czy kilkuset femtosekund.

MS: Ale jest laboratorium Instytucie Fizyki UJ, w którym są lasery femtosekundowe. Natomiast ja miałem szczęście być zaangażowany w tego typu badania w latach 2000-2010, pracując w Wielkiej Brytanii. W projekcie pod nazwą „UK Attosecond Project”, w którym brały udział czołowe instytucje badawcze w Wielkiej Brytanii, stworzyliśmy w Imperial College laboratorium attosekundowe. Obserwowaliśmy ruchy elektronów w molekułach i muszę przyznać, że to była najlepsza przygoda naukowa w mojej karierze.

Poznałem również laureata Ferenca Krausza i Anne L’Huillier która pracuje w Lund, Krausz natomiast w Monachium, choć zaczynał w Wiedniu, gdzie pracował nad tymi zjawiskami i stworzył laboratorium. Z kolei Agostini pracuje obecnie w Ohio.

Zrozumienie, jak generowane są impulsy attosekundowe było dużym wyzwaniem. Na skróty i upraszczając, możemy to sobie wyobrazić następująco: bardzo silny i bardzo krótki impuls laserowy jest w stanie wyrwać z atomu elektron, który w czasie trwania tegoż impulsu jest zawracany i rekombinuje z atomem.  Jak wspomniałem, impuls laserowy musi być tak silny, aby jego pole było porównywalne z polem wewnątrz atomu. Tym polem, które trzyma elektron. I teraz ten impuls wyrywa elektron, potem zawraca ten elektron i w wyniku tej rekombinacji występuje attosekundowy błysk.

KD: Trzeba jeszcze, Marku, dodać, że w trakcie tego oddziaływania przekazywana jest bardzo duża energia od impulsu do elektronu na skutek jego przyspieszania w ekstremalnie silnym polu impulsu laserowego. Ta energia kinetyczna jest następnie uwalniana w procesie rekombinacji elektronu z jonem w postaci tych wyższych harmonicznych światła.

MS: Tak. Kiedy on wraca, to zderza się z powrotem z tym swoim atomem-matką i wtedy generuje te impulsy, więc to jest takie, jak to mówią Anglicy „mind-blowing”, bo też wymyślenie tej teorii nie było trywialne, my sobie możemy mówić w sposób taki klasyczny, a to nie jest takie proste.

Oczywiście, jest to przełom. Na pewno to był przełom i jak to zwykle jest z Nagrodami Nobla, został on doceniony trochę później, jakieś 15-20 lat od czasu rozkwitu tych osiągnięć. Jak  Krzysztof powiedział, żeby otrzymać impulsy attosekundowe, trzeba było opracować technikę, stworzyć  niezwykle skomplikowane i precyzyjne  oprzyrządowanie, i tak dalej, więc to jest Nagroda za opracowanie eksperymentalnych metod generacji tak krótkich impulsów oraz wytłumaczenie mechanizmu ich powstawania. Należy to podziwiać, bo  nie jest to tak trywialne, iż  bierzemy laser femtosekundowy, oświetlamy  atomy i  generujemy impulsy attosekundowe… To tak nie jest. Tam jest wiele subtelności, jak to zrobić. Jest nam to bliskie, bo razem z Krzysztofem jesteśmy fizykami eksperymentalnymi.

KD: Ja myślę, że o wielkości różnych pomysłów teoretycznych świadczy później liczba aplikacji i w tym przypadku trzeba było z tym troszeczkę poczekać ze względu na to, że chociażby samo wytworzenie tych impulsów attosekundowych nie jest czymś trywialnym, i niewiele było grup badawczych które sobie radziły z tym problemem, więc dopiero mniej więcej od dekady impulsy attosekundowe stały się już bardziej powszechne i pojawiły się coraz liczniejsze aplikacje. Dzisiaj wkraczają już, z tego co wiem, w sferę biotechnologii czy biofizyki.

Jaki jest wkład polskich naukowców w badania nad impulsami attosekundowymi?

KD: Chciałbym tutaj wspomnieć pana profesora Macieja Lewensteina, który na pewno wniósł duży wkład w opracowanie teorii kwantowych, które pozwalają na wyjaśnienie zjawiska generacji wyższych harmonicznych, które leży u podstaw generacji impulsów attosekundowych. To był bodajże początek lat 90, kiedy się tym zajmował. Wcześniej panowała teoria półklasyczna, która częściowo wyjaśniała obserwowane zjawiska, ale dopiero w pełni kwantowa teoria pozwoliła na wyjaśnienie i zrozumienie tego, co tam się dzieje. Niewątpliwie duży wkład w powstanie kwantowego opisu zjawiska miał pan profesor Maciej Lewenstein, na początku swojej kariery naukowej związany z Instytutem Fizyki PAN, a obecnie pracujący w grupie Teorii Optyki Kwantowej w Institute of Photonic Sciences (ICFO) w Barcelonie. Z grupą tą ściśle współpracują nasi profesorowie, Jakub Zakrzewski i Krzysztof Sacha.

MS: Bardzo dobrze, że to podkreśliłeś, bo on też współpracował z Anne L’Huillier, więc można powiedzieć, że miał swój przyczynek do tego wszystkiego. Chciałabym też wspomnieć swojego kolegę, Leszka Frasińskiego, fizyka, absolwenta UJ, który pracuje w Wielkiej Brytanii od wielu lat i był jednym z inicjatorów wspomnianego uprzednio „Attosecond UK project” i prowadzonych tam badań dotyczących generacji impulsów attosekundowych oraz badań dynamiki elektronów w atomach i molekułach. Ma w nie duży wkład i szereg publikacji. Mam przyjemność być współautorem kilku z nich.