Угнаться за электроном: как лазерные импульсы помогли получить Нобелевскую премию

Нобелевской премии по физике удостоены ученые Пьер Агостини, Ференц Краус и Ан Люйе. Премия присуждена им «за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов излучения для изучения динамики электронов в веществе». За сухой формулировкой скрывается прорыв в мир самых быстрых процессов, за которыми когда-либо наблюдал человек. Следующий шаг — научиться их использовать.

Агостини и Люйе родились во Франции. Агостини сейчас работает в США, Люйе — в Швеции. Краус родился в Венгрии, сейчас работает в Германии. 

Наперегонки с электроном

Видели ли вы когда-нибудь, как комар машет крыльями? Наверняка нет. Вы видели только, что комар летает и что у него есть крылья. Но отдельный взмах различить невозможно. Ведь крыло мелкого кровососа делает сотни взмахов в секунду, а человеческий глаз так быстро не работает. Энтомологу, который всерьез заинтересуется аэродинамикой насекомого, потребуется скоростная фотокамера.

Может быть, комариный полет и не самый интересный объект исследования. А как насчет атомов и молекул? Понимание физики вещества — ключ к новым материалам и технологиям. Если физические исследования вчерашнего дня дали нам микропроцессоры, лазеры и композиты, что же могут принести завтрашние?

Проблема в том, что частицы вещества движутся куда быстрее комариных крыльев. Электрон в атоме водорода обходит ядро за 150 аттосекунд. Одна аттосекунда равна 10^-18 секунды, или миллиардной доле от миллиардной доли. В секунде примерно столько же аттосекунд, сколько секунд прошло с момента Большого взрыва.

За аттосекундными процессами вообще нельзя наблюдать с помощью света. Свет — это электромагнитная волна, то есть колебание электромагнитного поля. Очень упрощенно можно уподобить его волнам на воде или звуку. Через каждую точку в пространстве по очереди проходят световые гребни и впадины. Представим, что мы замерли в одной точке и ждем следующего гребня. Даже для самых коротких волн, различимых человеческих глазом — фиолетовых, придется прождать десятки тысяч аттосекунд.

Конечно, световые волны не самые короткие в природе. Есть еще ультрафиолетовое рентгеновское и гамма-излучение. Волны на границе ультрафиолетового и рентгеновского диапазона имеют период (промежуток времени между последовательными гребнями) как раз в десятки аттосекунд. Казалось бы, задача решена? Конечно, нужно «всего лишь» оторвать от бесконечной волны кусочек-импульс в несколько гребней и с его помощью исследовать аттосекундные процессы. Чтобы оценить сложность этой задачи, попытайтесь оторвать от своей шариковой ручки кусочек в несколько атомов, а потом еще и оперировать им.

Довольно долго самыми короткими лазерными импульсами в мире были фемтосекундные (одна фемтосекунда равна 10^-15 секунды). С их помощью ученые отслеживали в реальном времени взаимодействие атомов в химических реакциях. Аттосекундный барьер упорно не поддавался физикам. Преодолеть его удалось благодаря нынешним лауреатам.

Атом как музыкальный инструмент

Электрон, колеблемый электромагнитной волной, сам начинает испускать электромагнитные волны. Другими словами, атом, облучаемый светом, сам испускает свет. Эти волны называются вторичными. Обычно вторичные волны имеют ту же частоту, что и исходная волна, плюс несколько дополнительных гармоник. Как сказал бы музыкант, атом «поет» ту же ноту с несколькими обертонами. Причем чем дальше обертон от основной частоты, тем он слабее.

Но в эксперименте, который группа Люйе провела в 1988 году, произошло нечто странное. Физики облучали атомы аргона инфракрасным лазером. Как и положено, за основной «нотой» следовали обертоны, но они упорно не желали ослабевать. Тридцать третья гармоника (излучение на частоте, которая больше основной в 33 раза) была почти такой же интенсивной, как и пятая. Эти результаты порядком озадачили физиков. Было ясно, что наука столкнулась с новым явлением. Однако в серии статей 1991–1994 годов Люйе с коллегами объяснила его, решив сложные уравнения квантовой механики.

Это явление можно представить себе наглядно, не погружаясь в математические дебри. Лазер передает электрону так много энергии, что практически отрывает его от ядра. «Загулявшийся» электрон накапливает энергию, которую получает от электромагнитной волны. Но волна на то и волна, что поле меняет направление. Вскоре оно вновь толкает электрон к ядру. Чтобы воссоединиться с родным атомом, электрон должен потерять только что накопленную «лишнюю» энергию. Ее-то он и высвечивает на высоких гармониках.

В первом эксперименте использовались инфракрасные волны. Но физики рассчитали, что с помощью того же процесса можно генерировать волны на границе ультрафиолета и рентгена. А самое важное — собирать их в очень короткие импульсы, вплоть до аттосекундных. Напомним, что именно такие импульсы и нужны, чтобы исследовать движение электронов в атомах и молекулах. 

Вот как это работает. «Обертоновые» волны, распространяясь в пространстве, накладываются друг на друга. Там, где совпадают два гребня, получается гребень удвоенной высоты. А если гребень совпадает со впадиной, они компенсируют друг друга, и волна исчезает. Если сложить обертоны правильным образом, можно сгладить волну везде, кроме очень коротких «горбов», содержащих буквально по несколько гребней волны. Эти «горбы» и есть аттосекундые импульсы излучения.

В 1990-х аттосекундые импульсы существовали лишь на бумаге. Но уже в 2001 году группа Агостини создала серию лазерных импульсов, каждый из которых длился всего 250 аттосекунд. Одновременно группа Крауса выделила импульс продолжительностью 650 аттосекунд. В 2004-м Краус с коллегами тоже сократил импульс до 250 аттосекунд. Сегодняшние лучшие результаты измеряются уже десятками аттосекунд. Физики непрерывно развивают этот метод, делая импульсы не только короче, но и энергичнее. 

Ученые получили пинцет, которым можно проникнуть внутрь атомов и «пощупать» тонкие детали их строения. Пока это лишь академический интерес. Но в физике вещества знания быстро трансформируются в технологии.