בהכרזה חשובה בערב ה-3 באוקטובר 2023, נחשף פרס נובל לפיזיקה לשנת 2023, מתוך הכרה בתרומתם יוצאת הדופן של שלושה מדענים שמילאו תפקידים מרכזיים כחלוצים בתחום טכנולוגיית הלייזר אטו-שניה.

המונח "לייזר אטושניות" שואב את שמו מלוח הזמנים הקצר להפליא שבו הוא פועל, במיוחד בסדר של שניות אטושניות, המקביל ל-10^-18 שניות. כדי להבין את המשמעות העמוקה של טכנולוגיה זו, הבנה בסיסית של מה מסמלת אטו-שנייה היא חשובה ביותר. אטושניה עומדת כיחידת זמן דקה ביותר, המהווה מיליארדית מיליארדית השנייה בהקשר הרחב יותר של שנייה אחת. כדי לשים את זה בפרספקטיבה, אם היינו משווים שנייה להר מתנשא, אטושנייה תהיה דומה לגרגר חול בודד השוכן בבסיס ההר. במרווח הזמן החולף הזה, אפילו האור בקושי יכול לעבור מרחק שווה ערך לגודלו של אטום בודד. באמצעות ניצול לייזרים אטושניות, מדענים זוכים ביכולת חסרת תקדים לבחון ולתפעל את הדינמיקה המורכבת של אלקטרונים בתוך מבנים אטומיים, בדומה לשידור חוזר בהילוך איטי של פריים אחר פריים ברצף קולנועי, ובכך להתעמק במשחק הגומלין ביניהם.

לייזרים של אטוסקונדמייצגים את שיאו של מחקר מקיף ומאמצים משותפים של מדענים, אשר רתמו את העקרונות של אופטיקה לא ליניארית ליצירת לייזרים מהירים במיוחד. הופעתם סיפקה לנו נקודת תצפית חדשנית להתבוננות ולחקירה של התהליכים הדינמיים המתרחשים בתוך אטומים, מולקולות ואפילו אלקטרונים בחומרים מוצקים.

כדי להבהיר את טבעם של לייזרים אטו-שניות ולהעריך את התכונות הלא-שגרתיות שלהם בהשוואה ללייזרים קונבנציונליים, הכרחי לחקור את סיווגם בתוך "משפחת הלייזרים" הרחבה יותר. סיווג לפי אורך גל מציב את לייזר ה-Atosecond בעיקר בטווח של תדרים אולטרה סגולים עד רכים של קרני רנטגן, מה שמסמל את אורכי הגל הקצרים יותר שלהם בניגוד ללייזרים רגילים. במונחים של מצבי פלט, לייזרים attosecond נופלים תחת הקטגוריה של לייזרים פולסים, המאופיינים על ידי משך הדופק הקצר ביותר שלהם. כדי לשרטט אנלוגיה לבהירות, אפשר לחזות בלייזרים בעלי גלים רציפים כמו פנס הפולט קרן אור מתמשכת, בעוד שלייזרים פועמים דומים לאור strobe, המתחלפים במהירות בין תקופות של הארה וחושך. למעשה, לייזרים אטושניות מפגינים התנהגות פועמת בתוך התאורה והחושך, אך המעבר שלהם בין שני המצבים מתרחש בתדירות מדהימה, ומגיע לתחום האטושניות.

סיווג נוסף לפי כוח מציב את הלייזרים בסוגריים בעלי הספק נמוך, הספק בינוני והספק גבוה. לייזרים Attosecond משיגים הספק שיא גבוה בשל משך הפולס הקצר ביותר שלהם, וכתוצאה מכך הספק שיא בולט (P) - מוגדר כעוצמת האנרגיה ליחידת זמן (P=W/t). למרות שפולסי לייזר אינדיבידואליים של אטו-שניה עשויים שלא להיות בעלי אנרגיה גדולה במיוחד (W), היקף הזמן המקוצר שלהם (t) מקנה להם כוח שיא גבוה.

במונחים של תחומי יישומים, לייזרים משתרעים על קשת הכוללת יישומים תעשייתיים, רפואיים ומדעיים. לייזרים של Attosecond מוצאים בעיקר את הנישה שלהם בתחום המחקר המדעי, במיוחד בחקר תופעות המתפתחות במהירות בתחומי הפיזיקה והכימיה, ומציעים צוהר לתהליכים הדינמיים המהירים של העולם המיקרוקוסמי.

סיווג לפי מדיום לייזר משרטט את הלייזרים כלייזרי גז, לייזרים במצב מוצק, לייזרים נוזליים ולייזרים מוליכים למחצה. הדור של לייזרים אטושניות תלוי בדרך כלל במדיה לייזר גז, תוך שימוש באפקטים אופטיים לא ליניאריים כדי ליצור הרמוניות מסדר גבוה.

לסיכום, לייזרים אטושניות מהווים מחלקה ייחודית של לייזרים קצרי דופק, המובחנים על ידי משך הדופק הקצר במיוחד שלהם, הנמדד בדרך כלל באטושניות. כתוצאה מכך, הם הפכו לכלי חיוני להתבוננות ולשליטה בתהליכים דינמיים מהירים במיוחד של אלקטרונים בתוך אטומים, מולקולות וחומרים מוצקים.

התהליך המשוכלל של יצירת הלייזר Attosecond

טכנולוגיית הלייזר של Attosecond עומדת בחזית החדשנות המדעית, ומתהדרת במערך תנאים קפדני ומסקרן עבור הדור שלה. כדי להבהיר את המורכבויות של יצירת לייזר אטו-שניה, אנו מתחילים בהסבר תמציתי של העקרונות הבסיסיים שלו, ואחריו מטאפורות חיות הנגזרות מחוויות יומיומיות. קוראים שאינם בקיאים בנבכי הפיזיקה הרלוונטית אינם צריכים להתייאש, שכן המטאפורות הבאות שואפות להנגיש את הפיזיקה הבסיסית של לייזרים אטושניות.

תהליך היצירה של לייזרים אטושניות מסתמך בעיקר על הטכניקה המכונה High Harmonic Generation (HHG). ראשית, קרן של פולסי לייזר בעוצמה גבוהה של פמט-שניות (10^-15 שניות) ממוקדת בחוזקה על חומר מטרה גזי. ראוי לציין שלייזרי פמט-שנייה, בדומה ללייזרים אטו-שניים, חולקים את המאפיינים של בעלי משכי דופק קצרים ועוצמת שיא גבוהה. בהשפעת שדה הלייזר האינטנסיבי, אלקטרונים בתוך אטומי הגז משתחררים לרגע מגרעיני האטום שלהם, ונכנסים באופן חולף למצב של אלקטרונים חופשיים. כאשר האלקטרונים הללו מתנודדים בתגובה לשדה הלייזר, הם בסופו של דבר חוזרים לגרעיני האטום האב שלהם ומתחברים מחדש, ויוצרים מצבי אנרגיה גבוהה חדשים.

במהלך תהליך זה, אלקטרונים נעים במהירויות גבוהות במיוחד, ובשילוב מחדש עם גרעיני האטום, הם משחררים אנרגיה נוספת בצורה של פליטות הרמוניות גבוהות, המתבטאות כפוטונים בעלי אנרגיה גבוהה.

התדרים של הפוטונים החדשים שנוצרו באנרגיה גבוהה הם כפולות שלמים של תדר הלייזר המקורי, ויוצרים מה שנקרא הרמוניות מסדר גבוה, כאשר "הרמוניה" מציינת תדרים שהם כפולות אינטגרליות של התדר המקורי. כדי להשיג לייזרים אטושניות, יש צורך לסנן ולמקד הרמוניות מסדר גבוה אלה, לבחור הרמוניות ספציפיות ולרכז אותן לנקודת מוקד. אם תרצה, טכניקות דחיסת דופק יכולות לקצר עוד יותר את משך הדופק, ולהניב פולסים קצרים במיוחד בטווח האטו-שניות. מן הסתם, הדור של לייזרים attosecond מהווה תהליך מתוחכם ורב פנים, הדורש רמה גבוהה של יכולת טכנית וציוד מיוחד.

כדי להמחיש את התהליך המורכב הזה, אנו מציעים הקבלה מטפורית המבוססת על תרחישים יומיומיים:

פעימות לייזר פמט-שנייה בעצימות גבוהה:

דמיינו שיש ברשותו מעוט עוצמתי במיוחד המסוגל לזרוק אבנים באופן מיידי במהירויות אדירות, בדומה לתפקיד שממלאים פעימות לייזר בפמט-שנייה בעוצמה גבוהה.

חומר מטרה גזי:

דמיינו גוף מים שליו המסמל את חומר המטרה הגזי, כאשר כל טיפת מים מייצגת אינספור אטומי גז. פעולת הנעת האבנים לתוך גוף המים הזה משקפת באופן אנלוגי את ההשפעה של פעימות לייזר בעוצמה גבוהה של פמט-שנייה על חומר המטרה הגזי.

תנועת אלקטרונים ורקומבינציה (מעבר מונח פיזי):

כאשר פעימות לייזר פמט-שנייה משפיעות על אטומי הגז בתוך חומר המטרה הגזי, מספר לא מבוטל של אלקטרונים חיצוניים נרגשים לרגע למצב שבו הם מתנתקים מגרעיני האטום שלהם, ויוצרים מצב דמוי פלזמה. כאשר האנרגיה של המערכת פוחתת לאחר מכן (מאחר שפולסי הלייזר מופסים מטבעם, וכוללים מרווחי הפסקה), האלקטרונים החיצוניים הללו חוזרים לקרבתם של גרעיני האטום ומשחררים פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה.

דור הרמוני גבוה:

דמיינו לעצמכם שכל פעם שטיפת מים נופלת חזרה לפני השטח של האגם, היא יוצרת אדוות, בדומה להרמוניות גבוהות בלייזרי אטושניה. לאדוות אלו יש תדרים ואמפליטודות גבוהים יותר מהאדווה המקורית שנגרמה על ידי דופק הלייזר הראשי של הפמט-שנייה. במהלך תהליך HHG, קרן לייזר עוצמתית, הדומה לזריקת אבנים מתמשכת, מאירה מטרת גז, הדומה לפני השטח של האגם. שדה הלייזר האינטנסיבי הזה מניע את האלקטרונים בגז, בדומה לאדוות, הרחק מהאטומים האם שלהם ואז מושך אותם אחורה. בכל פעם שאלקטרון חוזר לאטום, הוא פולט קרן לייזר חדשה בתדירות גבוהה יותר, בדומה לדפוסי אדווה מורכבים יותר.

סינון ומיקוד:

שילוב כל קרני הלייזר החדשות הללו מניב ספקטרום של צבעים שונים (תדרים או אורכי גל), שחלקם מהווים את הלייזר ה-attosecond. כדי לבודד גדלים ותדרים של אדוות ספציפיים, אתה יכול להשתמש במסנן מיוחד, הדומה לבחירת אדוות רצויות, ולהשתמש בזכוכית מגדלת כדי למקד אותם לאזור ספציפי.

דחיסת דופק (במידת הצורך):

אם אתה שואף להפיץ אדוות מהר יותר וקצר יותר, אתה יכול להאיץ את התפשטותם באמצעות מכשיר מיוחד, ולצמצם את משך הזמן של כל אדוות. הדור של לייזרים אטושניות כרוך במשחק גומלין מורכב של תהליכים. עם זאת, כאשר מפורקים ומדמיינים, זה הופך להיות מובן יותר.