Движение электронов и импульсы света: кому и за что вручили Нобелевскую премию по физике 2023г

Нобелевскую премию по физике 2023 года присудили франко-американцу Пьеру Агостини (США), венгеро-австрийскому ученому Ференцу Краусу (Германия) и французской исследовательнице Анн Л’Юилье (Швеция). Самую престижную научную награду ученые получили «за экспериментальные методы, которые продуцируют аттосекундные световые импульсы для изучения движения электронов в материи». По словам профессора Томского политехнического университета, открытие в этой области позволит ученым в динамике и пошагово проследить квантовый процесс прохождения электронов через барьеры, а главное понять, что с ними происходит в этот момент.

Премия и лауреаты

Как сообщает Шведская королевская академия наук (The Royal Swedish Academy of Sciences), принято решение присудить Нобелевскую премию по физике 2023 года Пьеру Агостини, Ференцу Краусу и Анн Л’Юилье за эксперименты, которые «дали человечеству новые инструменты для исследования мира электронов внутри атомов и молекул».

«Пьер Агостини, Ференц Краус и Л’Юилье продемонстрировали способ создания чрезвычайно коротких импульсов света, которые можно использовать для измерения быстрых процессов, в которых электроны движутся или меняют энергию», — отмечают в академии.

Как объясняется в пресс-релизе учреждения, человек воспринимает быстро происходящие события как единый поток, аналогично тому, как статичные кадры в видео приходят в движение при проигрывании. Для изучения же скоротечных, молниеносных событий требуются специальные технологии. Ученые говорят, что в мире электронов изменения происходят за десятые доли аттосекунды. А аттосекунда настолько коротка, что в одной секунде их столько же, сколько секунд прошло с момента рождения Вселенной.

Вклад лауреатов, как отмечают в академии, позволил исследовать процессы, которые происходят настолько быстро, что раньше невозможно было их отследить. «Теперь мы можем открыть дверь в мир электронов. Аттосекундная физика дает нам возможность понять механизмы, которыми управляют электроны. Следующим шагом будет их использование», — отметила председатель Нобелевского комитета по физике Ева Ульссон.

Ученые получат за присуждение премии 11 миллионов шведских крон, которые будут разделены между ними поровну.

^{Движение электронов в атомах и молекулах настолько быстрое, что они измеряются в аттосекундах. В одной секунде столько аттосекунд, сколько секунд составляет возраст Вселенной.}

^{Лазерный свет разделяется на два луча, один из которых используется для создания последовательности аттосекундных импульсов. Затем эта последовательность импульсов добавляется к исходному лазерному импульсу и комбинация используется для проведения чрезвычайно быстрых экспериментов.}

Что значат открытия

«Лазерная физика сегодня развивается семимильными шагами, много исследований проводится для лазеров видимого света с длиной волны порядка микрона, с энергией фотона порядка одного электрон-вольта. На сегодняшний день самым коротким лазерным импульсом в световом диапазоне считается 10-15 секунд. Дальше продвинуться невозможно, поскольку не существуют импульсы излучения с длительностью вспышки меньше периода волны излучения. Но нобелевские лауреаты этого года перешли в другой диапазон длин волн, так называемый дальний ультрафиолет. Там длина волны на порядок меньше — доли микрона, и поэтому можно сузить импульс до сотни аттосекунд. То есть они получили световую вспышку, которая позволяет отслеживать, как идет образование сложных молекул, например, в биологически активных средах», — пояснил доктор физико-математических наук, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политеха Александр Потылицын.

По его словам, предложенный нобелевскими лауреатами метод позволит отслеживать траекторию электрона по мере его прохождения через образец и «снимать фильмы» этого процесса во времени.

Раньше со световыми вспышками этого сделать не удавалось, поскольку длительность самой вспышки была сопоставима с временем протекания процесса.

Работы в этом диапазоне проводились и раньше, но никто до нобелевцев не догадывался, как можно уменьшить длину вспышки. А нобелевские лауреаты, по словам профессора политеха, включили обратную связь — предложили воздействовать на радиатор мощным лазером в видимом диапазоне.

«Когда электрон в материале радиатора поглощает несколько лазерных фотонов и покидает соответствующий энергетический уровень, то при заполнении образовавшейся «вакансии» происходит излучение одного фотона с длиной волны намного короче длин волн видимого диапазона. Именно излучение этих вторичных фотонов формирует аттосекундный импульс излучения», — говорит ученый.

С помощью таких импульсов, по его словам, можно изучать динамику туннельного эффекта.

«Представьте, что вы бросаете мяч, он ударяется об стену и отскакивает. Он не может пройти сквозь стену. Но в квантовом мире известно: чем меньше частица, тем больше вероятность того, что эта частица проскочит через барьер. Поэтому, если ваш мячик уменьшить в миллиард раз, то его вероятность проскочить через барьер была бы уже не нулевая. А если уменьшить его еще в миллион раз, то вероятность его прохождения будет примерно «половина на половину»: одна половина «мячиков» будет отражаться от барьера, а вторая — пройдет сквозь. Это так называемый квантовый туннельный эффект. С помощью открытого нобелевскими лауреатами метода можно будет, грубо говоря, просканировать этот эффект», — пояснил Александр Потылицын.