De Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen is verheugd de 3 van oktober dat Nobelprijs voor natuurkunde 2023 wordt toegekend aan uitmuntende wetenschappers Pierre Agostini, Ferenc Krausz en Anne L'Huillier voor hun baanbrekende bijdragen aan het genereren en toepassen van attoseconde lichtpulsen, een revolutionaire technologie waarmee je de microscopische wereld met ongekende precisie kunt verkennen.
Inhoudsopgave
- Wat zijn Attoseconden en Attoseconde-lasers?
- Attoseconde lichtpulsen stimuleren wetenschappelijk onderzoek
- Toepassingsvooruitzichten van Attosecond Optics op medisch gebied
- Vooruitzichten voor Attosecond-lasers als impuls voor het nieuwe tijdperk van elektronische informatietechnologie
- Impact van Attosecond-technologie op de energiesector
- De diepgaande impact van Attosecond-technologie op de toekomst van de mensheid
Wat zijn Attoseconden en Attoseconde-lasers?
Een attoseconde is een tijdseenheid die gelijk is aan een miljardste van een miljardste van een seconde., wat wordt uitgedrukt als 10^(-18) seconden. In tegenstelling tot picoseconden en femtoseconden, Dit zijn standaarden voor het meten van tijd, attoseconden bieden een veel grotere nauwkeurigheid, waardoor de observatie van extreem snelle en vluchtige gebeurtenissen en bewegingen mogelijk is. Onderzoek in attoseconden is van groot belang, omdat het wetenschappers een compleet nieuw hulpmiddel en een nieuwe methode biedt om diepgaand de wetten en eigenschappen te onderzoeken die de beweging van microscopisch kleine deeltjes in de materiewereld bepalen..
Vaak, Mensen associëren lasers met kleuren, maar eigenlijk, De kleur van een laser wordt bepaald door de frequentie of golflengte. Er bestaat een eenvoudig verband tussen de frequentie en de golflengte van een laser, en het product is gelijk aan de lichtsnelheid. Voor experts op dit gebied, de beschrijving van een laser bevat een kritische parameter: duur van de polsslag, ook wel pulsbreedte genoemd.
Pulsduur verwijst naar het tijdsinterval tussen laserpulsen, namelijk, de periode die elke laseremissie scheidt. Aanvankelijk, lasers zenden continu licht uit, als een waterstroom die zonder onderbreking stroomt. Hoe dan ook, Wetenschappers ontdekten dat door de laseremissie in pulsen te verdelen, het was mogelijk om meer macht te verwerven. Hoe korter de pulsduur van een laser, hoe groter de emissiefrequentie en, vervolgens, hoe groter de energie van elke laserpuls.
De Attoseconde-laser
De attosecondelaser is de laser met het kortste tijdsinterval ooit door de mensheid gecreëerd, een prestatie die de makers dit jaar de Nobelprijs voor de Natuurkunde heeft opgeleverd. De techniek voor het genereren van attosecondelasers omvat het botsen van een femtosecondelaser op een inert gas, wat leidt tot het genereren van attosecondelasers met een nog kortere pulsduur. Verschillende geschokte inerte gassen genereren verschillende soorten attosecondelicht.
In concrete termen, Deze technologie is gebaseerd op de niet-lineaire interactie tussen de laser en materie. Wanneer een krachtige laser gasmoleculen raakt, verwijdert elektronen uit atoomkernen, het creëren van een plasma. Deze elektronen worden door het laserveld versneld en vervolgens weer naar de kernen aangetrokken, het vrijgeven van hoogenergetische röntgenstraling. Deze röntgenstralen zijn attoseconde lichtpulsen, die een hoge frequentie en coherentie hebben, waardoor ze door materie kunnen gaan en intense interacties met elektronen kunnen hebben.
Onderzoek in Attoseconden
Attosecond-onderzoek begon eind 20e en begin 21e eeuw brede aandacht en studie te krijgen.. In 1999, Wetenschapper Ahmed Zewail ontving de Nobelprijs voor de Scheikunde voor zijn onderzoek naar femtoseconde-spectroscopie, het markeren van een belangrijke mijlpaal in attosecond-onderzoek. Dan, met de ontwikkeling en toepassing van ultrakorte en ultrasterke lasers, Deze technologie werd bekroond met de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2018. Dit jaar, onderzoek naar attosecondelasers werd opnieuw erkend met de Nobelprijs voor de natuurkunde, waarmee het belang ervan in de wetenschap opnieuw wordt bevestigd.
Vandaag de dag, de kortste optische pulsen ter wereld duren 53 attoseconden en 43 attoseconden. Deze tijdseenheid is zo kortstondig dat hij op veel interessante manieren kan worden beschreven.. Bijvoorbeeld, attoseconde niveau, De afstand die licht kan afleggen is slechts de lengte van een watermolecuul.. Een andere manier om de vergankelijkheid ervan te illustreren is door te vergelijken 1 attoseconde met 1 seconde, wat gelijk staat aan vergelijken 1 op de tweede plaats met de leeftijd van het universum, waarbij de beknoptheid en de kleine tijdschaal van attoseconden worden benadrukt.
Attoseconde lichtpulsen stimuleren wetenschappelijk onderzoek
Attoseconde lichtpulstechnologie heeft de wetenschappelijke gemeenschap een ongeëvenaard hulpmiddel geboden om de beweging van elektronen te observeren en te controleren, wat vooruitgang mogelijk heeft gemaakt in het begrijpen van snelle en complexe processen op dit gebied. De toepassingen ervan strekken zich uit tot een breed scala aan disciplines:
Fysica van atomen en moleculen
Attosecondepulsen worden gebruikt om de elektronische structuur en dynamiek van atomen en moleculen te onderzoeken, inclusief processen zoals beeldvorming van elektronenbanen, ionisatie en excitatie.
Fysica van de vaste stof
Deze pulsen worden toegepast bij de studie van elektronische eigenschappen, Fonisch en magnetisch in vaste materialen, waardoor ultrasnelle veranderingen in deze eigenschappen kunnen worden onderzocht.
Kinetiek van chemische reacties
Wetenschappers gebruiken ze om de microscopische mechanismen van chemische reacties te onderzoeken, waaronder het begrijpen van reactiecoördinaten, overgangstoestanden en reactiesnelheden.
Moleculaire biofysica
De technologie wordt gebruikt om de structuur en functie van biologische moleculen te bestuderen, die toepassingen heeft in de studie van eiwitten en andere moleculen die essentieel zijn voor het leven.
Nanooptiek
Hiermee kunt u optische verschijnselen op nanometrische schaal onderzoeken, zoals oppervlakteplasmonen en optische reacties van nanostructuren.
Röntgenwetenschap
Attosecondepulsen worden gebruikt om röntgenstralen met hoge helderheid te genereren, die temporele en ruimtelijke resolutie bij röntgentechnieken mogelijk maakt.
Toepassingsvooruitzichten van Attosecond Optics op medisch gebied
Op het gebied van geneeskunde en biologie, Attoseconde-optica zijn op grote schaal gebruikt voor beeldvorming, de analyse en diagnose van cellen en weefsels.
Attosecond-beeldvormingstechnologie biedt driedimensionale beelden met hoge resolutie waarmee de microstructuur en functionaliteit van cellen en weefsels kunnen worden waargenomen. Bijvoorbeeld, Met de attosecondemicroscoop kunnen moleculaire bewegingen en chemische reacties in cellen worden waargenomen, wat de studie van cellulair metabolisme en signaaloverdracht vergemakkelijkt. Ook, attoseconde beeldvorming wordt gebruikt om neuronactiviteit en hersenfunctie te onderzoeken, waardoor de observatie van neuronale elektrische signalen en calciumsignalen mogelijk is, en vergemakkelijkt de studie van hersencognitie en -gedrag.
Als laatste redmiddel, attoseconde lichtpulsen zullen het helpen begrijpen, op microscopisch niveau (in termen van elektronenbeweging), de oorzaken, de ontwikkeling en fundamentele vorming van ziekten. Bijvoorbeeld, attoseconde lichtpulsen kunnen worden gebruikt om kankermarkers te identificeren. In het geval van kwaadaardige transformatie van normale cellen, Vroege diagnose en behandeling zijn cruciaal. Hoe dan ook, in de beginfase van kanker, de signalen van kwaadaardige cellen zijn erg zwak en worden duizenden keren verzwakt. Wanneer conventionele methoden deze signalen niet kunnen detecteren, attoseconde lichtpulsen kunnen ze met grote gevoeligheid extraheren.
In de toekomst, Verwacht wordt dat de Attosecond-technologie volledige controle over biochemische reactieprocessen mogelijk zal maken, wat tot beoogde en gewenste resultaten zal leiden.
Vooruitzichten voor Attosecond-lasers als impuls voor het nieuwe tijdperk van elektronische informatietechnologie
Moderne elektronica beweegt zich richting atomaire schaal, zowel qua tijd als qua ruimte, wat betekent dat er de mogelijkheid bestaat om circuits op atomair niveau te vervaardigen en de stroom te regelen met behulp van foto-elektrische velden.
Attoseconde lichtpulstechnologie heeft de weg vrijgemaakt voor de ontwikkeling van ultrahertz elektronische apparaten, die de werkingssnelheid van elektronische apparaten met verschillende ordes van grootte zouden kunnen verhogen en mogelijk het probleem van overmatige verwarming van elektronische apparaten zouden kunnen oplossen. Dit zou een belangrijke motor kunnen worden voor een nieuwe revolutie in de elektronische informatietechnologie.
Dat blijkt uit onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Nature. 12 oktober, Onderzoekers van de Universiteit van Michigan in de Verenigde Staten en de Universiteit van Regensburg in Duitsland zijn erin geslaagd de beweging van elektronen in honderden attoseconden vast te leggen, hoogste snelheid tot nu toe gemeten. Het observeren van de beweging van elektronen in stappen van attoseconden zou de verwerkingssnelheid van computers tegenwoordig tot een miljard keer kunnen verhogen..
Impact van Attosecond-technologie op de energiesector
In 2013, Het Attosecond Physics Laboratory van het Max Planck Institute of Optics in Duitsland ontdekte dat ultrakorte laserpulsen met hoog vermogen de elektrische eigenschappen van Isolerende materialen, het genereren van ultrasnelle elektrische oscillaties en stroom in de isolatoren. Deze elektrische en stroomoscillaties houden rechtstreeks verband met de activering en deactivering van de invallende laser., wat suggereert dat de omzetting van een isolator in een geleider in een kwestie van attoseconden plaatsvindt. Dit experiment toont aan dat de fundamentele geleidingseigenschappen van materialen kunnen toenemen of afnemen met de oscillatiesnelheid van het lichtveld..
Als het mogelijk is om isolatoren om te zetten in geleiders met behulp van attosecondetechnologie, verlies kabels voor elektriciteit van de toekomst zou een snellere en efficiëntere energieoverdracht en -opslag kunnen realiseren. Momenteel, attoseconde lichtpulsen worden gebruikt om ladingsoverdrachtsmechanismen tussen elektronen en gaten in nieuwe materialen te onderzoeken, waardoor het elektronische overdrachtsproces kan worden gecontroleerd en het onderzoek naar supergeleidende technologieën kan worden bevorderd.
Attosecond-technologie kan ook worden gebruikt om microscopische mechanismen bij energieconversie en -opslag te bestuderen., als in zonnepanelen systemen, brandstofcellen en batterijen. Dit zal bijdragen aan de ontwikkeling van efficiëntere en duurzamere energietechnologieën..
De diepgaande impact van Attosecond-technologie op de toekomst van de mensheid
Attoseconde lichtpulstechnologie heeft het potentieel om aanzienlijke vooruitgang te genereren op wetenschappelijk en technologisch gebied, waardoor het een van de belangrijkste ontwikkelingsrichtingen in de laserwetenschap voor het komende decennium wordt.
De laureaten van de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2023, Pierre Agostini, Ferenc Krausz en Anne L'Huillier, hebben de weg vrijgemaakt voor een nieuw tijdperk van attosecond onderzoek en toepassing. Zijn werk heeft een revolutie teweeggebracht in ons vermogen om de microscopische wereld te verkennen en te begrijpen., en hun bijdragen zullen een blijvende impact hebben op de wetenschap, technologie en de samenleving in het algemeen. De toekomst belooft buitengewone vooruitgang dankzij deze innovatieve technologie.