Меню
Нобеловата награда за физика за 2023 г. беше присъдена на Пиер Агостини, Ференц Краус и Ан Л’Юлие “за експериментални методи, които генерират атосекундни светлинни импулси за изследване на динамиката на електроните в материята”. Как да разбираме това кратко съобщение и какъв е приносът на проф. Иван Христов от Физическия факултет на Софийския университет „Св. Кл. Охридски“? Чл.-кор. проф. дфзн Александър Драйшу, ръководител на катедра „Квантова електроника“ към Физическия факултет на СУ разказва…
През 1987 г. Ан Л’Юлие открива, че при преминаването на интензивни свръхкъси лазерни импулси през инертен газ се появяват високи нечетни n-ти хармонични на лазерната светлина – импулси с дължини на вълните, n-пъти по-къси от дължината на вълната на възбуждащото лъчение. През 2001 г. Пиер Агостини успява да генерира и да изследва поредици от светлинни импулси, всеки с продължителност от само 250 атосекунди. В друг експеримент Ференц Краус успява да изолира единичен светлинен импулс с продължителност от само 650 атосекунди. Описвайки значението на тези върхови постижения, Ева Олсон, Председател на Нобеловия комитет по физика, заявява: „Вече можем да отворим вратата към света на електроните. Атосекундната физика ни дава възможност да разберем механизмите, управляващи електроните. Следващата стъпка ще бъде тяхното използване“. Тези постижения разкриват пътя към потенциални приложения в много различни области, простиращи се от електрониката до медицинската диагностика.
Генерирането на високи хармонични в екстремната ултравиолетова част на спектъра (на границата на мекия рентгенов диапазон), както и на атосекундни импуси, са проблеми от екстремната нелинейна оптика. Възбуждащите лазерни импулси са с продължителности от единици фемтосекунди и с екстремно високи интензитети. Относително интуитивно сравнение показва, че 10 фемтосекунди (fs) се отнасят към една минута както една минута към възрастта на Вселената. Иначе казано, 10 fs = 0,000 000 000 000 010 s. Необходимите интензитети на фокусираните снопове, типично надхвърлящи 1015 W/cm2, не са просто пертурбации към йонизационните потенциали на атомите, а силно ги модифицират. Това позволява в рамките на всеки един фемтосекунден възбуждащ импулс електроните на използваните атоми да се отклоняват и да се връщат към атомния остатък. При това те поемат енергията на необичайно много фотони.
Единият възможен край на процеса е отделянето на електрона, наричано над-прагова йонизация. С известна вероятност е възможен и друг завършек на процеса – рекомбинация на електрона, при което той излъчва енергията си под формата на високочестотно спирачно лъчение. Читателите, изкушени да вникнат по-дълбоко в процеса, биха могли да разгледат по-долната фигура, публикувана на сайта на Нобеловия комитет, която илюстрира как светлината въздейства върху газ от атоми.
Коректно е да се споменат поне няколко предшестващи резултата, направили възможно генерирането на атосекундни светлинни импулси. През 1982 г. Питър Мултън (Lincoln Laboratory, MIT) разработва титан-сапфировия лазер, заменил багрилните лазери при генериране на пико- и фемтосекундни импулси. Ползваният за активна среда кристал позволява едновременното генериране на светлина със спектър с ширина стотици нанометри, а тази ширина е необходима за генерирането на свръхкъс лазерен импулс. При разпространението на лазерни импулси, съдържащи няколко цикъла на носещата вълна, в среди се наблюдава ефект на отместване на фазата на тази вълна спрямо обвивката на импулса (т.нар. абсолютна фаза).
През 2005 г. Джон Хол и Тиодор Хенш получават Нобелова награда по физика за разработването на метод за стабилизиране на абсолютната фаза на ултракъси импулси и за използването им за спектроскопия с безпрецедентно висока точност. За да се получат необходимите за генериране на високи хармонични високи интензитети на светлината, лазерните импулси трябва да бъдат усилвани. Това, оказва се, не е толкова просто. Излъчени директно от лазера, тези импулси са вече с висок интензитет и опитът за усилване обичайно завършва с разрушаване на кристала на усилвателя. Този проблем e по принцип решен от Нобеловите лауреати (2018 г.) Дона Стрикланд и Жерар Муру чрез разработения от тях метод за усилване на фемтосекундни импулси. Накратко той може да се обобщи така: удължи многократно импулса, за да спадне интензитета му, усили го, за да се повиши енергията му, и накрая скъси усиления импулс обратно до първоначалната му продължителност.
Българският принос към изследванията, удостоени с Нобелова награда по физика на 2023 г., е на проф. Иван Христов от катедра „Квантова електроника“ към Физическия факултет при Софийския университет „Св. Кл. Охридски“. Проф. Христов е един от най-добрите учени в света, съгласно международната класация, изготвяна от изследователи от Станфордския университет. През 1996 г. проф. Христов докладва на международна конференция и в последствие публикува статия с ключов резултат: изолиран атосекунден импулс може да се генерира от мощен инфрачервен фемтосекунден импулс, съдържащ няколко периода на носещата, като се използва континуума в края на генерирания от електроните спектър (I. P. Christov, M. M. Murnane & H. C. Kapteyn, Phys. Rev. Lett. 78, 1251 (1997)). Тази работа е цитирана във всички важни експериментални работи по генерация на единични атосекундни импулси, включително в тези на Нобеловият лауреат Ференц Краус, който осъществява първия успешен експеримент, довел до получаване на единични 650-аттосекундни импулси (M. Hentschel et al., Nature 414, 509 (2001)).
Към момента публикацията на проф. Христов и съавтори има над 800 цитирания в световната литература. В публикацията на Нобеловия комитет, описваща научната обосновка за присъждане на тазгодишната награда по физика под номер 35 е цитирана друга публикацията на проф. Христов (I. P. Christov, R. Bartels, H. C. Kapteyn & M. M. Murnane, Phys. Rev. Lett. 86, 5458 (2001)), където е предсказана теоретично възможността за манипулиране на излъчването от атомите с помощта за т.н. кохерентен контрол в атосекунден режим, така че да се получи усилване на една отделна хармонична от целия генериран спектър. Важно е да се отбележи, че при другите Нобелови лауреати А. Л‘Юлие и П. Агостини генерираните импулси са също атосекундни, но се генерират с много висока (терахерцова) честота на повторение, което ги прави трудно използваеми за повечето реални измервания.