Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 31 – vyšlo 13. října, ročník 21 (2023) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

31/2023

Nobelova cena 2023 a attosekundové pulzy

Jan Vábek

Vyhlášení letošních Nobelových cenNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. za fyziku [1] se neslo ve znamení metody pro měření nejkratších časů, která je lidem v současnosti dostupná. Cenu si rozdělí rovným dílem Pierre Agostini, Ferenc Krausz a Anne L’Huillier. Ocenění je uděleno za experimentální metody generace attosekundových pulzů pro studium pohybu elektronů v látce. Cena jim bude předána na slavnostním vyhlášení dne 10. prosince 2023.

Medaile předávaná při převzetí Nobelovy ceny

Nobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. Elektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. CPA – technologie zesílení laserového pulzu. V první fázi se laserový impulz roztáhne, poté se pulz zesílí a nakonec komprimuje (časově zkrátí), přičemž dojde k velkému nárůstu intenzity. CPA je zkratkou z anglického „Chirped Pulse Amplification“ (kmitočtově rozmítané zesílení pulzu). Za vývoj této techniky získali v roce 2018 Nobelovu cenu za fyziku Gérard Mourou a Donna Strickland.

Čas a prostor

Čas je spolu s prostorem nejzákladnější fyzikální veličinou. V podstatě můžeme říct, že jejich spojení – časoprostor – tvoří základní strukturu našeho vesmíru, na které se odehrává vše ostatní. Takže pro zkoumání fyzikálních jevů musíme být schopni tyto veličiny měřit co nejpřesněji. Historicky přirozená a snadno dosažitelná reference pro měření času dostupná každému (kromě obyvatel polárních oblastí v zimním období) je den určený otočením Země kolem své osy. Od svého počátku se lidstvo pokouší tuto škálu zkrátit a zpřesnit. V průřezu tisíciletími a staletími procházíme od přesýpacích a vodních hodin, přes různé mechanické hodinové stroje, které se postupně přeměnily na elektronické hodiny ve 20. století. Další zkrácení nám přinesl přesun do optické oblasti s použitím laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu..

Konkrétně pulzní lasery a technika CPACPA – technologie zesílení laserového pulzu. V první fázi se laserový impulz roztáhne, poté se pulz zesílí a nakonec komprimuje (časově zkrátí), přičemž dojde k velkému nárůstu intenzity. CPA je zkratkou z anglického „Chirped Pulse Amplification“ (kmitočtově rozmítané zesílení pulzu). Za vývoj této techniky získali v roce 2018 Nobelovu cenu za fyziku Gérard Mourou a Donna Strickland., za kterou byla udělena Nobelova cena v roce 2018 (viz AB 36/2018), vedly k vytvoření femtosekundových (10⁻¹⁵ s) pulzů, které jsou zároveň dostatečně intenzivní k ionizaci atomů. Letos oceněná práce tuto škálu dále posunula mechanizmem, při kterém jsou při interakci femtosekundového pulzu s látkou vytvořeny sekundární pulzy s délkou v řádu attosekund (10⁻¹⁸ s). Abychom si takovou škálu představili, poměr jedné attosekundy k sekundě je podobný jako poměr sekundy ke stáří vesmíru. Vzdálenost uražená světlem za 1 attosekundu je přibližně 300 pikometrů, což je srovnatelné s atomárními vzdálenostmi (Bohrův poloměr je přibližně 50 pikometrů).

Přirozená časová škála elektronů v atomových obalech

Zmíněný rozvoj laserové technologie otevřel cestu ke zkoumání elektronů v mikroskopickém měřítku: v rámci elektronových obalů jednotlivých atomů, molekul, či ve složitějších systémech, jako jsou vodivostní pásyVodivostní pás – interval energií, při kterých nejsou elektrony vázány ke konkrétním jádrům a mohou se pohybovat v látce volně. v pevných látkách. Jednou ze zásadních otázek ke zkoumání byl mechanizmus ionizace. V roce 1979 Pierre Agostini se svými kolegy pozorovali v energetickém spektru elektronů vytvořených ionizací píky odpovídající násobkům energie fotonů použitého laserového záření. Experiment Anne L’Huillier v roce 1988 přinesl v té době překvapivé zjištění: při interakci atomů vzácných plynů s laserovým polem vzniká sekundární záření, ve kterém jsou silně zastoupeny liché násobky frekvence laserového záření, těmto násobkům se říká „vysoké harmonické frekvence“. Schematicky toto spektrum vidíme na obrázku. Překvapením bylo takzvané plato obsahující píky se srovnatelnou intenzitou.

Schéma spektra vysokých harmonických generovaných z plynu. Zdroj: [2].

Tyto výsledky podnítily hlubší teoretický zájem o matematický a fyzikální popis interakce elektronového obalu s laserovým zářením. Zjednodušeně si můžeme představit model elektronu v atomovém obalu jako kuličku drženou na pružince vázanou jádrem atomu. V reakci na laserové pole se může tato pružinka rozkmitat a elektron bude vyzařovat záření o frekvencích v násobcích laserového pole. Tato odezva je ale se zvyšujícím se řádem tlumena, jak vidíme ve žluté části spektra na obrázku. Pokud je ale laserové pole dostatečně silné, může tuto pružinku přetrhnout a elektron se uvolní z mateřského iontu. V tento okamžik na něj již nepůsobí brzdná síla pružinky a elektron tak může být efektivně urychlován laserovým polem. Okamžikem vzniku záření z plata na obrázku je opětovná rekombinace s mateřským iontem, kdy elektron odevzdá energii získanou urychlením právě ve formě plata lichých násobků laserového pole. Délka tohoto plata je omezena maximální možnou energií, na kterou může být elektron urychlen.

Mechanizmus, který jsme si právě zjednodušeně popsali, je takzvaný tříkrokový model (ionizace, urychlení volného elektronu, rekombinace), který představil Paul Corkum v roce 1993 [3]. Pro přesnější popis, který nám může vyčíslit očekávané spektrum, je potřeba použít kvantověmechanický model tohoto procesu. Na tomto tématu pracovalo několik skupin a můžeme zmínit modely vyvinuté Kennethem Kulanderem a dále Maciejem Lewensteinem, Paulem Corkumem a jejich spolupracovníky [4, 5]. Za zmínku též stojí Michael Kuchiev, který představil nezávisle kvantověmechanický popis interakce elektronu s laserovým polem již v roce 1986 [6]. Tyto výsledky jsou stále rozvíjeny, například pro detailní popis interakce atomů se strukturovaným světlem [7], či analogii výše představeného modelu pro interakci laseru s pevnou látkou [8]. Toto detailní porozumění a modelování spolu s dalšími experimenty je nezbytné pro použití vysokých harmonických k dalším aplikacím. Jednou z nejdůležitějších vlastností laserového světla je jeho velmi vysoká „uspořádanost“ v čase. Tato uspořádanost nám zajišťuje, že vytvořené harmonické frekvence se poskládají do velmi dobře definovaných attosekundových pulzů. Toto složení vln odpovídající různým vysokým frekvencím je ilustrováno na následujícím obrázku. Attosekundové pulzy nám poskytují referenci pro měření času a jsou tak vhodným nástrojem pro zkoumání elektronů v látkách na jejich přirozené časové škále. Jedním z efektů je samozřejmě zkoumání generujícího média, ale tyto pulzy mohou být také použity k dalším aplikacím.

Skládání různých harmonických frekvencí vedoucí k sérii attosekundových pulzů.
Zdroj: Nobelprize.org. [2].

Tím se dostáváme k poslední části letošní Nobelovy ceny. Než tyto pulzy použijeme ke zkoumání dalších jevů, musíme umět přesně změřit jejich délku. Vzhledem k tomu, že nemáme k dispozici žádný jiný nástroj pro měření tak krátkých časových úseků, musíme k tomuto měření použít pulzy samotné (měření je prováděno interferencí se zpožděnou replikou pulzu primárního laseru [9]). Tyto nástroje byly připravené v roce 2001, kdy ve skupině Pierra Agostiniho v Saclay v Paříži poprvé vytvořili a změřili vláček attosekundových pulzů, každý o délce 250 as, a ve skupině Ference Krausze v Institu fotoniky ve Vídni detekovali jediný attosekundový pulz o délce 650 as. V tomto okamžiku byla technika generace attosekundových pulzů připravena pro další výzkum molekul a materiálů s aplikacemi od kvantové chemie po studium vlastností materiálů. Femtosekundové lasery pro generaci vysokých harmonických jsou dnes běžně komerčně dostupné pro použití v průmyslu a v univerzitních laboratořích. Tímto tématem se zabýváme i u nás v České republice. Evropské konsorcium ELI ERIC, které také pracuje na vývoji a aplikaci těchto zdrojů, má dvě centra pro attosekundové pulzy, jedno se nachází v Dolních Břežanech a druhé v Szegedu v Maďarsku.

Pierre Agostini

Pierre Agostini. Zdroj: WOSU News.

Pierre Agostini (*23. 7. 1941, Tunis) studoval fyziku na univerzitě Aix-Marseille, ve své doktorské práci (1969) se zabýval polovodičovými filtry v XUV oblasti. Velkou část profesního života strávil v CEA Saclay u Paříže (1969–2002), kde v roce 1979 pozoroval píky v elektronovém spektru při ionizaci xenonu. V roce 2001 zde vytvořil vláček attosekundových pulzů. Mezi lety 2002 a 2004 pracoval v Brookhavenské Národní Laboratoři v New Yorku, od roku 2004 působí na Ohio State University. Mezi jeho významná ocenění patří Gayova-Lussacova–Humboldtova cena (2003) a Nobelova cena za fyziku (2023).

Ferenc Krausz

Ferenc Krausz. Zdroj: IMU.

Ferenc Krausz (*17. 5. 1962, Mór, Maďarsko) získal magisterské tituly z teoretické fyziky (na Eötvösově Lorándově Univerzitě) a elektrického inženýrství (na Technické Univerzitě v Budapešti). Doktorát získal na Technické Univerzitě ve Vídni za studium krátkých laserových pulzů. Na této univerzitě dále pokračoval v práci a stal se řádným profesorem v roce 1999. Od roku 2003 je ředitelem Institutu Maxe Plancka pro kvantovou optiku v Garchingu a od roku 2004 působí jako profesor na Ludwigově Maximilianově univerzitě v Mnichově. Mezi jeho významná ocenění patří cena Otto Hahna (2013), Wolfova cena za fyziku (2022) a Nobelova cena za fyziku (2023).

Anne L’Huillier

Anne L’Huillier. Zdroj: Chalmers.

Anne Geneviève L'Huillier (*16. 8. 1958, Paříž) získala magisterský titul z matematiky a teoretické fyziky. V rámci své doktorské práce se ale věnovala experimentálnímu studiu multifotonové ionizace laserovým polem. Její postdoktorandské pozice byly na Chalmersově Institutu Technologie v Göteborgu (Švédsko) a Jihokalifornské univerzitě v Los Angeles. V roce 1986 získala pozici v CEA v Saclay. Od roku 1994 působí na Univerzitě v Lundu ve Švédsku, kde se stala profesorkou v roce 1997 a vede zde skupinu zabývající se generací vysokých harmonických frekvencí. Mezi lety 2007 a 2015 byla členkou komise pro výběr Nobelových cen. Mezi její významná ocenění patří cena UNESCO L'Oréal Award (2011) pro významné ženy ve vědě. V roce 2022 získala Wolfovu cenu za fyziku a v roce 2023 Nobelovu cenu za fyziku.

Odkazy