Trong một thông báo quan trọng vào tối ngày 3 tháng 10 năm 2023, Giải thưởng Vật lý Nobel năm 2023 đã được tiết lộ, nhận ra những đóng góp xuất sắc của ba nhà khoa học đã đóng vai trò quan trọng với tư cách là người tiên phong trong lĩnh vực công nghệ Laser Attosecond.

Thuật ngữ "laser attosecond" có tên của nó từ khoảng thời gian cực kỳ ngắn gọn mà nó hoạt động, đặc biệt theo thứ tự của attoseconds, tương ứng với 10^-18 giây. Để nắm bắt được ý nghĩa sâu sắc của công nghệ này, một sự hiểu biết cơ bản về những gì một attosecond biểu thị là tối quan trọng. Một attosecond là một đơn vị thời gian cực kỳ phút, cấu thành một phần tỷ trong số một giây trong bối cảnh rộng hơn của một giây. Để đặt điều này vào viễn cảnh, nếu chúng ta ví lần thứ hai với một ngọn núi cao chót vót, một attosecond sẽ giống với một hạt cát nép mình tại căn cứ của ngọn núi. Trong khoảng thời gian thoáng qua này, ngay cả ánh sáng cũng không thể đi qua khoảng cách tương đương với kích thước của một nguyên tử cá nhân. Thông qua việc sử dụng các laser attosecond, các nhà khoa học có được khả năng chưa từng có để xem xét kỹ lưỡng và thao túng các động lực phức tạp của các electron trong các cấu trúc nguyên tử, gần giống với sự phát lại chuyển động chậm theo khung theo một chuỗi điện ảnh, do đó đi vào sự tương tác của chúng.

Laser attosecondĐại diện cho đỉnh cao của nghiên cứu sâu rộng và những nỗ lực phối hợp của các nhà khoa học, những người đã khai thác các nguyên tắc của quang học phi tuyến để tạo ra các tia laser cực nhanh. Cuộc phiêu lưu của họ đã cung cấp cho chúng ta một điểm thuận lợi sáng tạo cho việc quan sát và thăm dò các quá trình động diễn ra trong các nguyên tử, phân tử và thậm chí các electron trong vật liệu rắn.

Để làm sáng tỏ bản chất của laser attosecond và đánh giá cao các thuộc tính độc đáo của chúng so với laser thông thường, bắt buộc phải khám phá sự phân loại của chúng trong gia đình "laser" rộng hơn. Phân loại theo bước sóng vị trí laser attosecond chủ yếu trong phạm vi tần số tia cực tím đến tia X mềm, biểu thị các bước sóng ngắn hơn đáng kể của chúng trái ngược với laser thông thường. Về các chế độ đầu ra, laser attosecond thuộc loại laser xung, được đặc trưng bởi thời lượng xung cực kỳ ngắn gọn của chúng. Để vẽ một sự tương tự cho sự rõ ràng, người ta có thể dự tính các tia laser sóng liên tục giống như một đèn pin phát ra một chùm ánh sáng liên tục, trong khi các tia laser xung giống như ánh sáng nhấp nháy, nhanh chóng xen kẽ giữa các thời kỳ chiếu sáng và bóng tối. Về bản chất, các laser attosecond thể hiện một hành vi xung quanh trong sự chiếu sáng và bóng tối, nhưng sự chuyển đổi của họ giữa hai quốc gia diễn ra với một tần số đáng kinh ngạc, đến vương quốc của attoseconds.

Phân loại thêm theo sức mạnh đặt laser vào các giá đỡ năng lượng thấp, năng lượng trung bình và công suất cao. Laser attosecond đạt được công suất cực đại cao do thời lượng xung cực ngắn của chúng, dẫn đến công suất cực đại rõ rệt (P) - được định nghĩa là cường độ năng lượng trên mỗi đơn vị thời gian (p = w/t). Mặc dù các xung laser attosecond riêng lẻ có thể không có năng lượng đặc biệt lớn (W), phạm vi thời gian viết tắt của chúng (T) truyền đạt chúng với công suất cực đại cao.

Về các lĩnh vực ứng dụng, laser trải rộng phổ bao gồm các ứng dụng công nghiệp, y tế và khoa học. Các laser attosecond chủ yếu tìm thấy vị trí của họ trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, đặc biệt là trong việc khám phá các hiện tượng phát triển nhanh chóng trong các lĩnh vực vật lý và hóa học, đưa ra một cửa sổ vào các quá trình động nhanh của thế giới vi mô.

Phân loại theo laser trung bình phân định tia laser dưới dạng tia laser khí, laser trạng thái rắn, laser chất lỏng và laser bán dẫn. Việc tạo ra các laser attosecond thường bản lề trên môi trường laser khí, tận dụng các hiệu ứng quang học phi tuyến để tạo ra các sóng hài bậc cao.

Tóm lại, laser attosecond tạo thành một lớp laser xung ngắn độc đáo, được phân biệt bởi thời lượng xung ngắn đặc biệt của chúng, thường được đo bằng attoseconds. Kết quả là, chúng đã trở thành các công cụ không thể thiếu để quan sát và kiểm soát các quá trình động cực nhanh của các electron trong các nguyên tử, phân tử và vật liệu rắn.

Quá trình tạo ra laser attosecond phức tạp

Công nghệ laser Attosecond đứng đầu trong sự đổi mới khoa học, tự hào với một bộ điều kiện nghiêm ngặt hấp dẫn cho thế hệ của nó. Để làm sáng tỏ sự phức tạp của việc tạo ra laser attosecond, chúng tôi bắt đầu với một sự giải thích ngắn gọn về các nguyên tắc cơ bản của nó, tiếp theo là những ẩn dụ sống động có nguồn gốc từ những trải nghiệm hàng ngày. Người đọc không đồng nhất trong sự phức tạp của vật lý liên quan không cần phải tuyệt vọng, vì các phép ẩn dụ tiếp theo nhằm mục đích đưa ra vật lý nền tảng của các laser attosecond có thể truy cập được.

Quá trình tạo ra các laser attosecond chủ yếu dựa vào kỹ thuật được gọi là thế hệ điều hòa cao (HHG). Đầu tiên, một chùm xung laser cường độ cao (10^-15 giây) được tập trung chặt chẽ vào vật liệu mục tiêu khí. Điều đáng chú ý là các laser femtosecond, gần giống với các laser attosecond, chia sẻ các đặc điểm của việc sở hữu thời lượng xung ngắn và sức mạnh cao nhất. Dưới ảnh hưởng của trường laser cường độ cao, các electron trong các nguyên tử khí được giải phóng trong giây lát khỏi các hạt nhân nguyên tử của chúng, tạm thời xâm nhập vào trạng thái của các electron tự do. Khi các electron này dao động để đáp ứng với trường laser, cuối cùng chúng trở lại và kết hợp lại với các hạt nhân nguyên tử của cha mẹ, tạo ra các trạng thái năng lượng cao mới.

Trong quá trình này, các electron di chuyển với vận tốc cực cao và khi tái hợp với các hạt nhân nguyên tử, chúng giải phóng thêm năng lượng dưới dạng phát thải hài hòa cao, biểu hiện dưới dạng các photon năng lượng cao.

Tần số của các photon năng lượng cao mới được tạo ra là bội số của tần số laser ban đầu, hình thành những gì được gọi là sóng hài bậc cao, trong đó "sóng hài" biểu thị các tần số là bội số tích hợp của tần số ban đầu. Để đạt được laser attosecond, cần phải lọc và tập trung các sóng hài có thứ tự cao này, chọn sóng hài cụ thể và tập trung chúng vào một tiêu điểm. Nếu muốn, các kỹ thuật nén xung có thể viết tắt tiếp tục viết tắt thời gian xung, mang lại các xung siêu ngắn trong phạm vi attosecond. Rõ ràng, việc tạo ra các laser attosecond tạo thành một quá trình tinh vi và nhiều mặt, yêu cầu một mức độ cao của năng lực kỹ thuật và thiết bị chuyên dụng.

Để làm sáng tỏ quá trình phức tạp này, chúng tôi cung cấp một song song ẩn dụ được đặt nền tảng trong các kịch bản hàng ngày:

Các xung laser femtosecond cường độ cao:

Hình dung sở hữu một máy phóng đặc biệt mạnh có khả năng ném đá ngay lập tức ở tốc độ khổng lồ, giống như vai trò của các xung laser femtosecond cường độ cao.

Vật liệu mục tiêu khí:

Hình ảnh một thân nước yên tĩnh tượng trưng cho vật liệu mục tiêu khí, trong đó mỗi giọt nước đại diện cho vô số nguyên tử khí. Hành động đẩy đá vào cơ thể nước này phản ánh tương tự tác động của các xung laser femtosecond cường độ cao trên vật liệu mục tiêu khí.

Chuyển động điện tử và tái hợp (chuyển đổi được gọi là vật lý):

Khi các xung laser femtosecond ảnh hưởng đến các nguyên tử khí trong vật liệu mục tiêu khí, một số lượng đáng kể các electron bên ngoài bị kích thích trong giây lát đến trạng thái mà chúng tách ra khỏi các hạt nhân nguyên tử tương ứng của chúng, tạo thành trạng thái giống như plasma. Khi năng lượng của hệ thống sau đó giảm dần (vì các xung laser vốn đã bị xung, có các khoảng thời gian cai nghiện), các electron bên ngoài này trở lại vùng lân cận của hạt nhân nguyên tử, giải phóng các photon năng lượng cao.

Thế hệ điều hòa cao:

Hãy tưởng tượng mỗi khi một giọt nước rơi trở lại bề mặt của hồ, nó tạo ra những gợn sóng, giống như những âm thanh cao trong các tia laser attosecond. Những gợn sóng này có tần số và biên độ cao hơn các gợn sóng ban đầu gây ra bởi xung laser femtosecond chính. Trong quá trình HHG, một chùm tia laser mạnh mẽ, giống như liên tục ném đá, chiếu sáng một mục tiêu khí, giống như bề mặt của hồ. Trường Laser dữ dội này đẩy các electron trong khí, tương tự như gợn sóng, tránh xa các nguyên tử cha mẹ của chúng và sau đó kéo chúng trở lại. Mỗi lần một electron trở lại nguyên tử, nó phát ra một chùm tia laser mới với tần số cao hơn, gần giống với các mẫu gợn phức tạp hơn.

Lọc và tập trung:

Kết hợp tất cả các chùm tia laser mới được tạo ra này mang lại một phổ các màu khác nhau (tần số hoặc bước sóng), một số trong đó tạo thành laser attosecond. Để cô lập kích thước và tần số gợn sóng cụ thể, bạn có thể sử dụng một bộ lọc chuyên dụng, giống như chọn gợn sóng mong muốn và sử dụng một kính lúp để tập trung chúng vào một khu vực cụ thể.

Nén xung (nếu cần):

Nếu bạn nhằm mục đích tuyên truyền gợn sóng nhanh hơn và ngắn hơn, bạn có thể tăng tốc sự lan truyền của chúng bằng cách sử dụng một thiết bị chuyên dụng, giảm thời gian mỗi gợn sóng kéo dài. Việc tạo ra các laser attosecond liên quan đến một sự tương tác phức tạp của các quá trình. Tuy nhiên, khi bị phá vỡ và hình dung, nó trở nên dễ hiểu hơn.