Шведская королевская академия наук рада сообщить 3 октября, что Нобелевская премия по физике 2023 будет вручен выдающимся ученым Пьеру Агостини, Ференц Краус и Анн Л'Юлье за новаторский вклад в генерацию и применение аттосекундных световых импульсов., революционная технология, позволяющая исследовать микроскопический мир с беспрецедентной точностью..
Что такое аттосекунды и аттосекундные лазеры?
Аттосекунда – единица времени, равная одной миллиардной миллиардной секунды., что выражается как 10^(-18) секунды. В отличие от пикосекунд и фемтосекунд, которые являются эталонами измерения времени, аттосекунды обеспечивают гораздо большую точность, позволяя наблюдать за чрезвычайно быстрыми и мимолетными событиями и движениями. Исследования в аттосекундах имеют большую актуальность., поскольку он предоставляет ученым совершенно новый инструмент и метод для глубокого изучения законов и свойств, которые управляют движением микроскопических частиц в мире материи..
Часто, Люди ассоциируют лазеры с цветами, но на самом деле, Цвет лазера определяется его частотой или длиной волны.. Существует простая связь между частотой и длиной волны лазера., и его произведение равно скорости света. Для экспертов в области, описание лазера включает критический параметр: длительность импульса, также известный как ширина импульса.
Длительность импульса относится к интервалу времени между лазерными импульсами., то есть, период, который разделяет каждое лазерное излучение. Изначально, лазеры излучают свет непрерывно, как поток воды, текущий без перерыва. Однако, Ученые обнаружили это, разделив лазерное излучение на импульсы., можно было получить большую мощность. Чем короче длительность импульса лазера, тем больше частота его излучения и, следовательно, тем больше энергия каждого лазерного импульса.
Аттосекундный лазер
Аттосекундный лазер — лазер с самым коротким временным интервалом, когда-либо созданный человечеством., достижение, которое принесло его создателям Нобелевскую премию по физике в этом году.. Технология генерации аттосекундных лазеров предполагает воздействие фемтосекундного лазера на инертный газ., что приводит к созданию аттосекундных лазеров с еще более короткой длительностью импульса. Различные ударные инертные газы генерируют разные типы аттосекундного света..
В конкретных терминах, Эта технология основана на нелинейном взаимодействии лазера и вещества.. Когда мощный лазер поражает молекулы газа, удаляет электроны из атомных ядер, создание плазмы. Эти электроны ускоряются лазерным полем, а затем притягиваются обратно к ядрам., испуская рентгеновские лучи высокой энергии. Эти рентгеновские лучи представляют собой аттосекундные световые импульсы., которые имеют высокую частоту и когерентность, что позволяет им проходить сквозь материю и интенсивно взаимодействовать с электронами..
Исследования в аттосекундах
Аттосекундные исследования начали получать широкое внимание и изучаться в конце 20-го и начале 21-го века.. В 1999, Ученый Ахмед Зеваил получил Нобелевскую премию по химии за исследования в области фемтосекундной спектроскопии., знаменуя собой важную веху в аттосекундных исследованиях. Затем, с разработкой и применением ультракоротких и сверхсильных лазеров, Эта технология была удостоена Нобелевской премии по физике в 2018. В этом году, исследования аттосекундных лазеров снова были отмечены Нобелевской премией по физике., подтверждая свою важность в науке.
В настоящее время, самые короткие оптические импульсы в мире длятся 53 аттосекунды и 43 аттосекунды. Эта единица времени настолько эфемерна, что ее можно описывать множеством интересных способов.. Например, на аттосекундном уровне, Расстояние, которое может пройти свет, равно длине молекулы воды.. Другой способ проиллюстрировать его мимолетность — сравнить 1 Я действую следуя за 1 второй, что эквивалентно сравнению 1 второй с возрастом Вселенной, подчеркивая краткость и крошечный временной масштаб аттосекунд.
Аттосекундные световые импульсы стимулируют научные исследования
Технология аттосекундных световых импульсов предоставила научному сообществу беспрецедентный инструмент для наблюдения и контроля движения электронов., что позволило продвинуться в понимании быстрых и сложных процессов в этом вопросе. Его применение распространяется на широкий спектр дисциплин.:
Физика атомов и молекул
Аттосекундные импульсы используются для исследования электронной структуры и динамики атомов и молекул., включая такие процессы, как получение изображений электронных орбит, ионизация и возбуждение.
Физика твердого тела
Эти импульсы применяются для изучения электронных свойств., Фононные и магнитные в твердых материалах, позволяющий исследовать сверхбыстрые изменения этих свойств.
Кинетика химических реакций.
Ученые используют их для исследования микроскопических механизмов химических реакций., что включает в себя понимание координат реакции, переходные состояния и скорости реакций.
Молекулярная биофизика
Технология используется для изучения структуры и функций биологических молекул., который имеет применение в изучении белков и других молекул, необходимых для жизни..
Наноптика
Позволяет исследовать оптические явления в нанометровом масштабе., такие как поверхностные плазмоны и оптические отклики наноструктур..
Рентгеновская наука
Аттосекундные импульсы используются для генерации рентгеновских лучей высокой яркости., что обеспечивает временное и пространственное разрешение в рентгеновских методах..
Перспективы применения аттосекундной оптики в медицинской сфере
В области медицины и биологии, Аттосекундная оптика широко используется для получения изображений., анализ и диагностика клеток и тканей.
Технология аттосекундной визуализации обеспечивает трехмерные изображения высокого разрешения, которые позволяют наблюдать микроструктуру и функциональность клеток и тканей.. Например, Аттосекундный микроскоп позволяет наблюдать молекулярные движения и химические реакции внутри клеток., что облегчает изучение клеточного метаболизма и передачи сигналов. Кроме, Аттосекундная визуализация используется для исследования активности нейронов и функций мозга., позволяющий наблюдать электрические сигналы нейронов и сигналы кальция, и облегчает изучение познания и поведения мозга.
В конечном счете, аттосекундные световые импульсы помогут понять, на микроскопическом уровне (с точки зрения движения электронов), причины, развитие и фундаментальное формирование заболеваний. Например, Аттосекундные световые импульсы можно использовать для выявления маркеров рака. В случае злокачественного перерождения нормальных клеток, ранняя диагностика и лечение имеют решающее значение. Однако, на начальных стадиях рака, сигналы от злокачественных клеток очень слабы и ослаблены в тысячи раз. Когда обычные методы не могут обнаружить эти сигналы, аттосекундные световые импульсы могут извлечь их с большой чувствительностью..
В будущем, Ожидается, что аттосекундная технология позволит полностью контролировать процессы биохимических реакций., что приведет к намеченным и желаемым результатам.
Перспективы аттосекундных лазеров как шаг к новой эре электронных информационных технологий
Современная электроника движется к атомному масштабу., как во времени, так и в пространстве, а это значит, что есть возможность изготовления схем на атомном уровне и управления током с помощью фотоэлектрических полей.
Технология аттосекундных световых импульсов проложила путь к разработке ультрагерцовых электронных устройств., что могло бы увеличить скорость работы электронных устройств на несколько порядков и, возможно, решить проблему чрезмерного нагрева электронных устройств. Это может стать ключевым фактором новой революции в электронных информационных технологиях..
Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature, 12 Октябрь, Исследователям из Мичиганского университета в США и Регенсбургского университета в Германии удалось зафиксировать движение электронов за сотни аттосекунд., самая высокая скорость, зафиксированная на данный момент. Наблюдение за движением электронов с шагом в аттосекунду может сегодня увеличить скорость обработки данных компьютеров почти в миллиард раз..
Влияние аттосекундной технологии на энергетику
В 2013, Лаборатория аттосекундной физики Оптического института Макса Планка в Германии обнаружила, что ультракороткие мощные лазерные импульсы могут изменять электрические свойства изоляционные материалы, генерация сверхбыстрых электрических колебаний и тока в изоляторах. Эти электрические и токовые колебания напрямую связаны с активацией и деактивацией падающего лазера., предполагая, что превращение изолятора в проводник происходит за считанные аттосекунды.. Этот эксперимент показывает, что основные свойства проводимости материалов могут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от скорости колебаний светового поля..
Можно ли с помощью аттосекундной технологии превратить изоляторы в проводники, Лос кабели для электричества будущего может обеспечить более быструю и эффективную передачу и хранение энергии.. В данный момент, Аттосекундные световые импульсы используются для исследования механизмов переноса заряда между электронами и дырками в новых материалах., что позволяет контролировать процесс электронного переноса и продвигать исследования в области сверхпроводниковых технологий..
Аттосекундную технологию также можно использовать для изучения микроскопических механизмов преобразования и хранения энергии., как в системы солнечных батарей, топливные элементы и батареи. Это будет способствовать развитию более эффективных и устойчивых энергетических технологий..
Глубокое влияние аттосекундных технологий на будущее человечества
Технология аттосекундных световых импульсов может обеспечить значительный прогресс в научных и технологических областях., что делает его одним из важнейших направлений развития лазерной науки на ближайшее десятилетие..
Лауреаты Нобелевской премии по физике 2023, Пьер Агостини, Ференц Краус и Анн Л'Юлье, проложили путь к новой эре аттосекундных исследований и приложений.. Его работа произвела революцию в нашей способности исследовать и понимать микроскопический мир., и их вклад окажет долгосрочное влияние на науку, технологии и общество в целом. Будущее обещает невероятные достижения благодаря этой инновационной технологии..