Трое ученых были удостоены Нобелевской премии по физике 2023 года за свои исследования, которые дали новый взгляд на изучение электронов. Их работа заключалась в применении аттосекундных импульсов света для исследования молекул. Что представляет собой аттосекунда и какие удивительные детали она может раскрыть в мире материи?
Префикс "атто" в научной записи обозначает 10 в -18 степени. Иными словами, это десятичная дробь из 17 нулей. Таким образом, аттосекунда, или 0,0000000000000000001 секунды, представляет собой невероятно короткий интервал времени. На самом деле, в одной секунде содержится приблизительно столько же аттосекунд, сколько секунд в возрасте всей Вселенной.
Ранее ученые использовали фемтосекундные (10 в -15 степени) световые импульсы для изучения движения более массивных и медленных атомных ядер. Один тысячача аттосекунд помещается в одной фемтосекунде. Однако, чтобы проникнуть в мир электронных процессов, ученым требовались аттосекундные световые импульсы, поскольку электроны двигаются настолько быстро, что фемтосекунды не позволяли ученым исследовать их действия вдоль фемтосекундной временной шкалы.
Электроны в атомах и молекулах играют важную роль во многих физических и химических процессах. Однако их действия происходят на сверхбыстрых временных шкалах, что осложняет их изучение. Для следящих за электронами и их движениями исследователям требуются световые импульсы, которые короче, чем время, необходимое электронам для реакции.
Аттосекундные импульсы помогают в исследованиях методом спектроскопии с использованием "накачка-зонд", который часто используется в физике и химии. Этот метод позволяет исследователям наблюдать процессы в реальном времени и изучать, как электроны реагируют в молекулах.
Для лучшего понимания, представьте себе камеру, которая делает длительные выдержки около 1 секунды. Движущиеся объекты, такие как бегущий человек или летящая птица, будут размытыми на фотографиях и будет сложно разглядеть их движение. Теперь, представьте, что у вас есть камера с выдержкой 1 миллисекунду. Теперь движения, которые были ранее размытыми, становятся четкими и ясными на фотографиях. Именно так использование аттосекундных световых импульсов может пролить свет на движение электронов.
Какие исследовательские вопросы можно решить с помощью аттосекундных импульсов? Прежде всего, такие импульсы позволяют изучать разрыв химических связей, что является фундаментальным процессом в химии. Особенно интересно наблюдать, как общие электроны между двумя атомами разделяются на несвязанные атомы. Аттосекундные импульсы позволяют исследователям следить за этим процессом в реальном времени.
Технология аттосекундных импульсов, за которую была присуждена Нобелевская премия по физике 2023 года, стала возможной в начале 2000-х годов и продолжает активно развиваться. Она позволяет ученым получать более короткие "снимки" атомов и молекул, что, в свою очередь, помогает понять поведение электронов на молекулярном уровне. Эта технология применяется в различных областях, включая исследование электронов в воде и в ионизированных атомах, а также изучение переноса электронов в полупроводниках. Постоянное усовершенствование способности генерировать аттосекундные импульсы помогает ученым раскрывать все более глубокие аспекты мира элементарных частиц, составляющих вещество.