בהכרזה חשובה בערב ה- 3 באוקטובר 2023, נחשף פרס נובל לפיזיקה לשנת 2023, והכיר בתרומות הבולטות של שלושה מדענים ששיחקו תפקידים מרכזי כחלוצים בתחום טכנולוגיית הלייזר האטוסקונד.

המונח "לייזר Attosecond" שואב את שמו מהסמל הקצר להפליא עליו הוא פועל, במיוחד לפי סדר האטוס-שניות, המתאים ל 10^-18 שניות. כדי להבין את המשמעות העמוקה של טכנולוגיה זו, הבנה מהותית של מה שמסמל אטוסקונד הוא בעל חשיבות עליונה. אטוסקונד עומד כיחידת זמן דקה במיוחד, המהווה מיליארד מיליארד שנייה בהקשר הרחב יותר של שנייה אחת. כדי להכניס את זה לפרספקטיבה, אם היינו מדמיינים שנייה להר מתנשא, אטוסקונד היה דומה לגרגר חול יחיד השוכן בבסיס ההר. במרווח זמני חולף זה, אפילו אור בקושי יכול לחצות מרחק שווה לגודל אטום אינדיבידואלי. באמצעות ניצול לייזרים של אטוס-שניות, מדענים מקבלים את היכולת חסרת התקדים לבחון ולתמרן את הדינמיקה המורכבת של האלקטרונים בתוך מבנים אטומיים, בדומה למשחק מחדש של מסגרת אחר מסגרת איטית ברצף קולנועי, ובכך מתעמקים למאגר שלהם.

לייזרים של אטוסקונדמייצגים את שיאו של מחקרים נרחבים ומאמצים מתואמים של מדענים, אשר רתמו את עקרונות האופטיקה הלא לינארית ליצירת לייזרים אולטרה -אפסטים. הופעתם סיפקה לנו נקודת תצפית חדשנית להתבוננות ובחינה של התהליכים הדינמיים המתעברים בתוך אטומים, מולקולות ואפילו אלקטרונים בחומרים מוצקים.

כדי להבהיר את טיבם של לייזרים אטוס -שניים ולהעריך את התכונות הלא שגרתיות שלהם בהשוואה ללייזרים קונבנציונליים, חובה לחקור את סיווגם בתוך "משפחת הלייזר" הרחבה יותר. סיווג על ידי אורך גל מקומות לייזרים אטוס-שניים בעיקר בטווח של תדרי אולטרה סגול לרנטגן רך, ומסמל את אורכי הגל הקצרים יותר שלהם בניגוד ללייזרים קונבנציונליים. מבחינת מצבי הפלט, לייזרים של Attosecond נופלים תחת הקטגוריה של לייזרים פועמים, המאופיינים במשכי הדופק הקצרים ביותר שלהם. כדי לצייר אנלוגיה לצורך בהירות, ניתן לחזות לייזרים גל-רצופים כדומים לפנס הפולט קרן אור רציפה, ואילו לייזרים פועמים דומים לאור סטרוב, המתחלף במהירות בין תקופות של תאורה וחושך. בעיקרו של דבר, לייזרים של אטוסקונד מראים התנהגות פועמת בתוך ההארה והחושך, ובכל זאת המעבר שלהם בין שתי המדינות מתרחש בתדירות מדהימה, ומגיע לתחום האטוסקונדים.

סיווג נוסף על ידי כוח מציב לייזרים לסוגריים בעלי עוצמה נמוכה, כוח בינוני ועוצמה גבוהה. לייזרים של אטוס -שניות משיגים כוח שיא גבוה בגלל משך משך הדופק הקצר ביותר שלהם, וכתוצאה מכך כוח שיא בולט (P) - המוגדר כעוצמת האנרגיה לכל זמן יחידה (p = w/t). אף על פי שקטעי לייזר אטוס -שניים פרטניים עשויים שלא להיות בעלי אנרגיה גדולה במיוחד (W), היקם הזמני המקוצר (T) מקנה אותם בעוצמת שיא מוגבהת.

מבחינת תחומי היישום, לייזרים משתרעים על ספקטרום המקיף יישומים תעשייתיים, רפואיים ומדעיים. לייזרים של אטוסקונד מוצאים בעיקר את הגומחה שלהם בתחום המחקר המדעית, במיוחד בחקירה של תופעות המתפתחות במהירות בתחומי הפיזיקה והכימיה, ומציעים חלון לתהליכים הדינאמיים המהירים של העולם המיקרוקוסמי.

סיווג על ידי מדיום לייזר תוחם לייזרים כלייזרי גז, לייזרים במצב מוצק, לייזרים נוזליים ולייזרים מוליכים למחצה. דור הלייזרים של אטוסקונד בדרך כלל תלוי במדיה לייזר גז, ומנצל את ההשפעות האופטיות הלא לינאריות כדי ליצור הרמוניות בסדר גודל גבוה.

לסיכום, לייזרים של אטוסקונד מהווים מעמד ייחודי של לייזרים דופקים קצרים, המובחנים על ידי משך הדופק הקצר שלהם בצורה יוצאת דופן, הנמדדים בדרך כלל באטוסקונדים. כתוצאה מכך, הם הפכו לכלים חיוניים להתבוננות ובקרה על התהליכים הדינמיים האולטרה -פסטים של אלקטרונים בתוך אטומים, מולקולות וחומרים מוצקים.

התהליך המורכב של יצירת לייזר אטוסקונד

טכנולוגיית הלייזר של Attosecond עומדת בחזית החדשנות המדעית, ומתהדרת במערכת תנאים קפדנית באופן מסקרן לייצורו. כדי להבהיר את המורכבות של דור לייזר אטוסקונד, אנו מתחילים בתערוכה תמציתית של עקרונותיה הבסיסיים, ואחריה מטאפורות עזות הנגזרות מחוויות יומיומיות. הקוראים שלא היו מורכבים במורכבות של הפיזיקה הרלוונטית אינם צריכים להתייאש, מכיוון שהמטאפורות בעקבותיה נועדו להפוך את הפיזיקה היסודית של לייזרים אטוס -שניים לנגישים.

תהליך הדור של לייזרים אטוס -שניים מסתמך בעיקר על הטכניקה המכונה דור הרמוני גבוה (HHG). ראשית, קרן של פעימות לייזר בעוצמה גבוהה (10^-15 שניות) ממוקדת בחוזקה בחומר יעד גזי. ראוי לציין כי לייזרים של Femtosecond, הדומים לייזרים של אטוסקונד, חולקים את המאפיינים של החזקת משך דופק קצר וכוח שיא גבוה. בהשפעת שדה הלייזר העז, האלקטרונים בתוך אטומי הגז משוחררים לרגע מהגרעינים האטומיים שלהם, ונכנסים באופן חולף למצב של אלקטרונים חופשיים. מכיוון שהאלקטרונים הללו מתנדנדים בתגובה לשדה הלייזר, הם בסופו של דבר חוזרים ונשנים מחדש עם גרעיני האטום האטומיים שלהם, ויוצרים מצבים חדשים באנרגיה גבוהה.

במהלך תהליך זה, אלקטרונים נעים במהירות גבוהה במיוחד, ועם רקומבינציה עם הגרעינים האטומיים, הם משחררים אנרגיה נוספת בצורה של פליטות הרמוניות גבוהות, המתבטאות כפוטונים בעלי אנרגיה גבוהה.

התדרים של פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה שנוצרו לאחרונה הם מכפילים שלמים של תדר הלייזר המקורי, ויוצרים את מה שמכונה הרמוניות בסדר גודל גבוה, כאשר "הרמוניות" מציין תדרים שהם מכפילים אינטגרליים של התדר המקורי. כדי להשיג לייזרים של אטוסקונד, נדרש לסנן ולמקד את ההרמוניות הללו בסדר גודל גבוה, לבחור הרמוניות ספציפיות ולרכז אותן למוקד. אם תרצה, טכניקות דחיסת הדופק יכולות לקצר עוד יותר את משך הדופק, ולהניב פולסים קצרים במיוחד בטווח האטוס-שניות. נראה כי דור הלייזרים של אטוסקונד מהווה תהליך מתוחכם ורב -פנים, הדורש מידה גבוהה של ציוד טכני ומיוחד.

כדי להרוס את התהליך המורכב הזה, אנו מציעים מקבילה מטאפורית המעוטרת בתרחישים יומיומיים:

קטניות לייזר בעצימות בעוצמה גבוהה:

בדמיונו בעל מעוט חזק במיוחד המסוגל להטיל אבנים באופן מיידי במהירויות קולוסאליות, בדומה לתפקיד שמילא פולסי לייזר פמטו-שניים בעצימות גבוהה.

חומר יעד גזי:

דמיין גוף מים שלווה המסמל את חומר היעד הגזי, בו כל טיפת מים מייצגת אטומי גזים רבים. פעולת ההנעה של אבנים לגוף זה של מים משקפת באופן אנלוגי את ההשפעה של פולסי לייזר Femtosecond בעוצמה גבוהה על חומר היעד הגזי.

תנועת אלקטרונים ושילוב מחדש (המכונה פיזית מעבר):

כאשר פעימות הלייזר של Femtosecond משפיעות על אטומי הגז בתוך חומר היעד הגזי, מספר לא מבוטל של אלקטרונים חיצוניים מתרגשים לרגע למצב בו הם מתנתקים מהגרעינים האטומיים שלהם בהתאמה, ויוצרים מצב דמוי פלזמה. ככל שהאנרגיה של המערכת פוחתת לאחר מכן (מכיוון שקטניות הלייזר פועמות מטבען, הכוללות מרווחי הפסקות), האלקטרונים החיצוניים הללו חוזרים לסביבתם של הגרעינים האטומיים, ומשחררים פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה.

דור הרמוני גבוה:

תאר לעצמך בכל פעם שטיפת מים נופלת חזרה אל פני האגם, היא יוצרת אדוות, בדומה להרמוניות גבוהות בלייזרים של אטוסקונד. לאדוות אלה יש תדרים ומשרעות גבוהות יותר מאשר האדוות המקוריות הנגרמות כתוצאה מדופק הלייזר הראשוני של Femtosecond. במהלך תהליך HHG, קרן לייזר חזקה, הדומה לזרקת אבנים ברציפות, מאירה יעד גז, הדומה למשטח האגם. שדה לייזר אינטנסיבי זה מניע אלקטרונים בגז, המקבילים לאדוות, הרחק מאטומי ההורים שלהם ואז מושך אותם לאחור. בכל פעם שאלקטרון חוזר לאטום הוא פולט קרן לייזר חדשה בתדר גבוה יותר, דומה לדפוסי אדווה מורכבים יותר.

סינון ומיקוד:

שילוב של כל קורות הלייזר החדשות שנוצרו לאחרונה מניב ספקטרום של צבעים שונים (תדרים או אורכי גל), שחלקם מהווים את לייזר האטוסקונד. כדי לבודד גדלי אדווה ותדרים ספציפיים, תוכלו להעסיק פילטר מיוחד, בדומה לבחירת אדוות רצויות, ולהעסיק זכוכית מגדלת כדי למקד אותם לאזור ספציפי.

דחיסת דופק (במידת הצורך):

אם אתה שואף להפיץ אדוות מהר יותר ויותר, אתה יכול להאיץ את התפשטותם באמצעות מכשיר מיוחד, ולהפחית את הזמן שכל אדווה נמשכת. דור הלייזרים של אטוסקונד כרוך במשחק יחסי גומלין מורכב של תהליכים. עם זאת, כאשר הוא מתפרק וממחיש, הוא הופך להיות מובן יותר.