V úterý 3. října se udělovala Nobelova cena za fyziku – jedno ze šesti prestižních ocenění, které je uznáním průkopnického přínosu jednotlivce nebo organizace v určitém oboru. Získali ji tři vědci – Pierre Agostini, Ferenc Krausz a Anne L’Huillier – kteří přišli na to, jak generovat attosekundové (tj. v řádu 1×10-18 sekundy) světelné pulsy, které lze použít pro studium elektronů.
Elektrony se uvnitř atomů pohybují neuvěřitelně rychle. Před průlomovým objevem se i pod nejmodernějšími mikroskopy jevily jen jako šmouhy – jejich pohyb a chování bylo příliš rychlé na to, aby je bylo možné sledovat. Předsedkyně Nobelova výboru pro fyziku Eva Olsson u příležitosti ocenění řekla: „Nyní můžeme otevřít dveře do světa elektronů.“
Podstata objevu
Drobný kolibřík dokáže mávnout křídly osmdesátkrát za sekundu. Lidé jsou však schopni vnímat pouze bzučení a rozmazaný pohyb. Pro lidské smysly se rychlé pohyby rozmazávají a extrémně krátké děje se nedají pozorovat. K zachycení nebo zobrazení těchto velmi krátkých okamžiků musíme používat technologické triky.
Vysokorychlostní fotografie a stroboskopické osvětlení umožňují zachycení detailních obrazů prchavých jevů. Fotografie kolibříka v letu vyžaduje expoziční čas, který je mnohem kratší než jedno mávnutí jeho křídel. Čím rychlejší je událost, tím rychleji musí být snímek pořízen, má-li zachytit daný okamžik.
Stejný princip platí pro všechny metody používané k měření nebo zobrazování rychlých procesů; každé pozorování musí být provedeno rychleji, než je doba, za kterou dojde ke znatelné změně zkoumaného systému, jinak je výsledek nejasný. Letošní laureáti provedli experimenty, které demonstrují metodu generování světelných pulzů, které jsou dostatečně krátké na to, aby zachytily obrazy procesů uvnitř atomů a molekul.
Procesy uvnitř atomů
Procesy probíhající uvnitř atomů jsou nepředstavitelně rychlé. Samotné atomy se mohou v molekulách pohybovat a otáčet v řádu miliardtin sekundy. Tyto pohyby lze studovat pomocí nejkratších pulzů, které lze vytvořit lasery – ale když se pohybují celé atomy, je časové měřítko určeno jejich velkými a těžkými jádry, která jsou ve srovnání s lehkými a hbitými elektrony extrémně pomalá.
Když se uvnitř atomů nebo molekul pohybují elektrony, probíhají změny během femtosekund (1×10-15). Ke změnám pozic a energie dochází v rámci jedné až několika set attosekund, přičemž attosekunda je jedna miliardtina miliardtiny sekundy.
Attosekunda je tak krátká, že jejich počet za jednu sekundu je přibližně stejný jako počet sekund, které uplynuly od vzniku vesmíru před 13,8 miliardami let. V relativnějším měřítku si můžeme představit záblesk světla vyslaný z jednoho konce místnosti na protější stěnu, který trvá deset miliard attosekund.
Femtosekunda byla dlouho považována za mezní hodnotu světelných záblesků, které bylo možné vytvořit. Zdokonalení stávající technologie nestačilo k tomu, aby bylo možné sledovat procesy spojené s elektrony; bylo zapotřebí něco zcela nového. Letošní laureáti provedli experimenty, které otevřely novou oblast výzkumu attosekundové fyziky.
Využití „podtónů“
Matematika popisující vlnění už předtím naznačovala, že lze vytvořit jakýkoli tvar vlnění, pokud se použije dostatečný počet vln správné velikosti, vlnové délky a amplitudy. Trik attosekundových pulzů spočívá v tom, že kombinací více a kratších vlnových délek je možné vytvořit kratší pulzy.
Klíčem je jev, který vzniká při průchodu laserového světla plynem. Světlo interaguje s atomy plynu a způsobuje vznik overtonů – vln, které za každý cyklus původní vlny doplní několik celých cyklů. Můžeme to přirovnat k podtónům, které dávají zvuku jeho specifický charakter a umožňují lidem slyšet rozdíl mezi stejným tónem zahraným na kytaru a na klavír.
V roce 1987 se Anne L'Huillier a jejím kolegům ve francouzské laboratoři podařilo vytvořit a demonstrovat overtony pomocí infračerveného laserového paprsku, který procházel vzácným plynem. Infračervené světlo způsobilo více a silnějších overtonů než laser s kratší vlnovou délkou, který byl použit v předchozích experimentech. Při tomto experimentu bylo pozorováno mnoho overtonů s přibližně stejnou intenzitou světla.
Attosekundová fyzika
V sérii článků pokračovala L'Huillier ve zkoumání tohoto jevu i v 90. letech, mimo jiné na své nové pozici na univerzitě v Lundu. Její výsledky přispěly k teoretickému pochopení tohoto jevu a položily základ dalšího experimentálního průlomu.
Attosekundové pulzy umožňují měřit dobu, za kterou se elektron odpoutá od atomu, a zkoumat, jak tato doba závisí na tom, jak pevně je elektron vázán k jádru atomu. Je možné rekonstruovat, jak rozmístění elektronů kmitá ze strany na stranu nebo z místa na místo; dříve bylo možné jejich polohu měřit pouze jako průměr.
Attosekundové impulsy lze použít k testování vnitřních procesů v látce a k identifikaci různých dějů. Tyto pulzy byly použity ke zkoumání podrobných fyzikálních vlastností atomů a molekul a mají potenciální využití v celé řadě oblastí od elektroniky po medicínu.