Увидеть электрон: физик Колачевский объяснил суть открытия нобелевских лауреатов-2023

Премия присуждена за генерацию чрезвычайно коротких импульсов света, благодаря которым можно изучать невидимые ранее электроны

Установить контроль за процессами, которые раньше невозможно было отследить, поможет работа новых нобелевских лауреатов по физике — американца Пьера Агостини, немца Ференца Крауза и шведки Анн Л’Юлье. Премия присуждена за генерацию чрезвычайно коротких, аттосекундных импульсов света, при помощи которых можно будет изучать жизнь невидимых ранее электронов. Для чего эти импульсы могут пригодиться, корреспондент «МК» выяснила в разговоре с директором Физического института им. Лебедева РАН, членом-корреспондентом РАН Николаем Колачевским.

Официально премия присуждена «за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электронов в веществе». «Эти импульсы являются инструментами для исследования мира электронов внутри атомов и молекул», говорится в официальном сообщении Нобелевского комитета. Раньше их невозможно было отследить, а теперь основанные исключительно на теории формулы «оживут», и мы сможем увидеть электронную оболочку атома своими собственными глазами. Через микроскоп, конечно.

— Это вполне заслуженная премия, — комментирует решение Нобелевского комитета Николай Колачевский. — Действительно награждены пионеры этой области, которые смогли преодолеть рубеж фемтосекундного импульса, считавшегося ранее самым коротким.

— Можете сначала рассказать о фемтосекундных импульсах?

— Фемтосекундный лазерный импульс имеет длину 10 в минус 15 степени секунды (название происходит от латинского слова femten, означающего «пятнадцать»). Его длину можно также представить как миллионную миллиардной доли секунды. Раньше казалось, что это предельный рубеж. 1 фемтосекунда равна периоду колебания света в световой волне, с ее помощью можно изучать колебания молекул.

— Для решения каких задач они используются?

— Фемтосекундные импульсы сегодня являются настоящими рабочими лошадками. С их помощью наблюдают за химическими процессами, делают отверстия в материалах с очень чистыми стенками, проводят тончайшие хирургические операции, улучшают систему ГЛОНАСС и GPS.

— Когда нынешние нобелевские лауреаты начали работу по генерации более коротких импульсов?

— В конце 1990 — начале 2000-х годов начались работы, направленные на получение аттосекундного импульса (от латинского atten — «восемнадцать») длиной 10 в минус 18 степени секунды (или миллиард миллиардной доли секунды. — Авт.). Когда Крауз впервые продемонстрировал одиночные аттосекундные импульсы — это был 2001 год, — уже тогда появилась надежда на присуждение ему Нобелевской премии за преодоление рубежа фемтосекундного импульса. Это новое знание в мире, аттосекундный лазер — это одна тысячная фемтосекунды.

— Как его можно представить себе?

— К примеру, один оборот электрона вокруг атома водорода — это тысячи или сотни аттосекунд.

Теперь мы можем наблюдать за его движением! Причем интерес представляет не только динамика электрона, но и сам механизм генерации короткого импульса.

— Можете описать, каким образом короткий лазерный импульс помогает увидеть электрон?

— Фемтосекундный лазер бьет в мишень — в контейнер (кювету) с газом. Из этой газовой мишени в направлении пучка лазера вылетает аттосекундный импульс. Это происходит не в видимом, а в ультрафиолетовом диапазоне. Этот сверхкороткий импульс можно выделить и направить на другую мишень, к примеру, на отдельную молекулу или на отдельный атом и посмотреть, как он провзаимодействует с этим атомом. Помните, еще в школе всем нам показывали рисунки формулы молекулы водорода — атом водорода, и вокруг него летает электрон. Так вот, если объяснять предельно просто, аттосекундный импульс как фонариком высвечивает этот электрон и выбивает из молекулы. В момент выбивания и происходит регистрация его направления, в котором он двигался до этого. То есть регистрация разрушает вещество, создавая красивые фотографии застывшего электронного облака.

— Для чего могут пригодиться знания о динамике электронов?

— Пока в широком смысле практических приложений для аттосекундного лазера нет. Это чисто фундаментальная наука, которая должна выстрелить в будущем. Есть, в частности, надежда на решение с помощью него вопросов квантовых коммуникаций, проблемы излучения одиночных фотонов, квантовой запутанности. Уже сегодня между банками прокладываются каналы с квантовым шифрованием… Думаю, аттосекундные лазеры будут прежде всего использованы в этом направлении. Правда, для них потребуется для начала создать мощные лазерные установки, которые пока имеются всего в десяти институтах США, Канады и Европы. К сожалению, наша страна, имеющая хороший приоритет в исследованиях с фемтосекундными лазерами, с аттосекундными пока не работает.

Источник: www.mk.ru