Второй лазер: для сумасшедшей электронной фотографии

Точно так же, как мы используем свет для наблюдения за макроскопическим миром вокруг нас, мы также можем использовать свет для исследования субатомного мира. Но необходимо соблюдать один принцип: любое измерение должно происходить быстрее, чем время, необходимое для существенного изменения изучаемой системы, иначе можно получить лишь расплывчатые результаты.
В молекуле атомы движутся в фемтосекундном масштабе времени (триллионная доля секунды, 10^-15 секунд), их положения и энергии изменяются за время от одной до нескольких сотен аттосекунд, и для измерения их движения фемтосекундная технология «может не поможет.
Насколько коротка аттосекунда? 1 аттосекунда равна 10^-18 секундам, что составляет одну миллиардную миллиардную долю секунды. 1 аттосекунда эквивалентна 1 секунде возраста Вселенной (13,8 миллиарда лет). Пучок света, проходящий от одной стороны комнаты до противоположной стены, занимает 10 миллиардов угловых секунд.
«Настоящая жизнь» аттосекундного импульса
Как получить световой импульс в аттосекундном масштабе? Теоретически более короткие световые импульсы можно генерировать путем объединения коротковолновых лазерных импульсов нескольких длин волн.
Вэй Чжии, исследователь из Института физики Китайской академии наук, объяснил репортеру Science and Technology Daily: «Для генерации новых длин волн нужен не только фемтосекундный лазерный привод, но и необходимо сфокусироваться на газе, посредством Взаимодействие атомов света и газа с образованием так называемых высоких гармоник, высокие гармоники — это цикл приводного лазера, генерация двух циклов волны».
В 1987 году Люлье и его коллеги сфокусировали инфракрасный лазерный луч на инертный газ и обнаружили, что создаваемые гармоники были более многочисленными и сильными, чем те, которые ранее создавались с помощью более коротковолновых лазерных приводов, и что многие из наблюдаемых гармоник имели одинаковую интенсивность света.
Дальнейшие исследования показали, что при определенных обстоятельствах гармоники перекрываются, образуя серию лазерных импульсов в ультрафиолетовом диапазоне, длительность каждого из которых составляет всего несколько сотен аттосекунд.
В 2001 году Агостини и его коллегам во Франции удалось создать серию последовательностей импульсов длительностью всего 250 арсек. Ференц Краусс и его партнеры в Австрии пошли другим путем, выделив одиночные изолированные световые импульсы длительностью 650 угловых секунд и используя их для отслеживания и изучения процесса «вытягивания» электронов из атомов.
«Это работа этих трех ученых, представленная исследователями на протяжении более десяти лет, благодаря изобретательности и неустанным усилиям, благодаря которым сверхбыстрая наука вступила в эпоху аттосекунд». Сказал Вэй Чжии.
Перспективный в ряде областей, «покажи свои умения»
Маленькая колибри может взмахивать крыльями 80 раз в секунду, при этом человеческий глаз не способен видеть, но с помощью высокоскоростной камеры ее можно заключить в четкий кадр действия.
«Второй световой импульс — это именно исследование микроскопического материального мира «высокоскоростной камеры», который может быть «бушующим» электроном, созданным для наблюдения». Вэй Чжии с надеждой сказал: «Ожидается, что изучение и понимание электронов в таком коротком временном масштабе (аттосекундах) будет способствовать быстрому развитию сверхбыстрой электроники, которая однажды может привести к созданию более мощных компьютерных чипов. Это также позволит нам различать молекулы. на основе их электронных свойств и использовать их для быстрой и точной диагностики заболеваний».
По словам Вэй Чжии, в настоящее время, помимо вышеупомянутых исследовательских групп на международном уровне, ряд исследовательских групп в США, Канаде, Италии, Швейцарии, Японии, Южной Корее и других странах также проводят исследования по генерации аттосекундные импульсы и их применение во многих областях, таких как физика, химия и биология.
«Например, команда профессора Чанга Цзэнху из Университета Центральной Флориды в США дважды установила мировой рекорд по самому короткому аттосекундному импульсу, в 2012 и 2017 годах, а также 43-аттосекундный импульс, созданный Швейцарским федеральным институтом В частности, ЕС построил в Венгрии установку экстремального света (ELI-ALPS) с аттосекундными лазерами в качестве основного компонента, чтобы предоставить ученым в различных областях возможность проводить аттосекундные научные исследования». Вэй Чжии подсчитывает результаты в поле аттосекунд.
Исследования аттосекундных световых импульсов также широко подчеркивались китайскими учеными. Институт физики Китайской академии наук, Шанхайский институт оптической механики, Сианьский институт оптической механики, Пекинский университет, Восточно-Китайский педагогический университет, Национальный университет оборонных технологий, Хуачжунский университет науки и технологий и другие подразделения осуществляют наши исследования в области аттосекундной науки. В 2013 году группа Вэй Чжии впервые в Китае сгенерировала и измерила изолированный аттосекундный импульс длительностью 160 аттосекунд и в настоящее время продолжает развиваться в направлении более короткой ширины импульса, более высоких энергий и более высоких частот повторения, что предоставит возможность китайским ученым разработать собственные аттосекундные лазеры. В сочетании с терминальным оборудованием он обеспечивает ведущую международную платформу и возможности для исследований аттосекундного лазера в области физики конденсированного состояния, атомной и молекулярной физики, химии, биомедицины, информации и энергетики.