Импульс укорачивать

Нобелевский комитет часто присуждает премии по физике за лазеры. Сначала были полупроводниковые лазеры, потом квантовые генераторы электромагнитного излучения, а пять лет назад — методика усиления нано- и фемтосекундных импульсов. Лауреаты этого года, Пьер Агостини, Ференц Краус и Анн Л’Юилье тоже занимались лазерами и укоротили импульсы до аттосекунд. Разбираемся, принципиально ли отличаются эти импульсы от тех, которые получали премию до этого. Или просто Нобелевский комитет неровно дышит к лазерам?

Короче

Рассказывая о достижениях нобелиатов, представитель пресс-комитета, физик Ева Олссон объясняла: «Возьмите тысячную долю секунды. Возьмите тысячную долю от нее, а потом тысячную долю от тысячной доли тысячной доли. Поделите на тысячу, а потом еще раз на тысячу. И еще раз на тысячу — вот столько длится одна аттосекунда».

За это время свет проходит всего 0,3 нанометра, примерно в тысячу раз меньше самой длины волны видимого света. Аттосекунда сопоставима с тем временем, которое нужно атому для поглощения или излучения кванта света. Сейчас рекордно короткие импульсы длятся десятки аттосекунд. Многие молекулы по своим размерам больше, чем протяженность такого импульса в пространстве. Но в 1990-е такие импульсы считали невозможными.

Электроны в атомах — то, что взаимодействует с любым светом, — со времен Гейзенберга казались принципиально ненаблюдаемыми. Это были неудобные для изучения объекты, проследить за которыми напрямую нельзя. Но к началу 1990-х физики уже успели сократить длительность лазерных импульсов до нано- и пикосекунд — это открыло новые спектроскопические возможности благодаря тому, что пикосекундные вспышки успевали провзаимодействовать с материалом до его испарения. Переход к фемто- и аттосекундам должен был позволить наблюдать за быстротекущими процессами на уровне отдельных молекул и электронов и привести к следующему большому скачку.

Вам понадобится

Чтобы добраться до аттосекунд, будущим лауреатам был нужен лазер. При этом обычный источник света здесь не годился: свет должен был быть когерентным, то есть на одной длине волны и с одинаковой фазой. «Представьте себе оркестр: чтобы получилась мелодия, играть музыкантам нужно согласованно», — пояснил Нобелевский комитет в ходе видеотрансляции. Когерентный лазер у физиков к тому моменту уже был.

Кроме того — очень быстрый затвор, устройство, способное почти мгновенно стать прозрачным и столь же быстро вернуться в непрозрачное состояние. Затворы, которые были в распоряжении ученых, позволяли сгенерировать достаточно короткий импульс — пикосекундный, — который все же был на несколько порядков длиннее того, к которому стремились. Поэтому использовать затворы было недостаточно — нужно было придумать что-то еще.

В 1980-х Жерар Муру и Донна Стрикленд смогли получить мощные фемтосекундные лазерные импульсы, растягивая и опять сжимая их во времени (именно они получили предыдущую «лазерную» премию). Нынешним лауреатам для следующего шага оказалась нужна нелинейная оптика.

При определенных условиях мощное излучение, проходя через вещество, заставляет это вещество испускать излучение на больших частотах — то есть генерировать гармоники высокого порядка. Этот эффект относят к области нелинейной оптики: свет сам по себе влияет на вещество, через которое он распространяется. Например, инфракрасный импульс таким образом превращается в короткую вспышку, которая может быть уже и рентгеновской.

Правильно подобрав нелинейную оптическую среду можно не просто дополнить излучение новыми частотами, но и за счет интерференции сгенерировать очень короткий и мощный импульс. Если из него удалить при помощи фильтров первоначальное «затравочное» излучение, то получаются искомые сверхкороткие импульсы.

Луч сквозь газ

Группа в университете Париж-Сакле, где работает по сей день Анн Л’Юилье, на рубеже 1980-х и 1990-х годов занималась нелинейной оптикой. А именно — взаимодействием мощного инфракрасного (с длиной волны около микрометра) излучения с благородными газами. Плотность энергии в их опытах составляла 10¹³ ватт на квадратный сантиметр: это примерно столько, сколько получится при фокусировке всей вырабатываемой на планете электроэнергии на спичечной головке.

В таких условиях атомы инертного газа — аргона — поглощали сразу несколько квантов излучения и набирали достаточно энергии для перехода электронов на более высокие энергетические уровни и даже для ионизации. Затем атомы рекомбинировали и возвращались в исходное состояние — этот эффект многофотонного поглощения был описан Агостини еще ранее, в 1979 году, но группа Л’Юилье получила неожиданный результат. Интенсивность излучения для гармоник с пятой по примерно тридцатую практически не снижалась — иными словами, излучение с частотой в 30 раз выше исходной оказывалось примерно настолько же ярким, как и излучение на пятикратно повышенной частоте.

В 1990-е годы сразу несколько исследовательских групп построили теоретические модели этих многофотонных процессов — сначала полуклассические, а потом и полностью квантовые. Экспериментальная часть тоже не стояла на месте: группа Ференца Крауса, работая совместно с коллегами из Милана, получила в 1997 году рекордный на тот момент импульс длительностью всего 4,5 фемтосекунды — или 4500 аттосекунд. В качестве нелинейной среды в этом эксперименте ученые выбрали криптон, заключенный внутри полого оптоволокна. Используя для затравки инфракрасный лазер, на выходе физики получили жесткое излучение с энергией до 300 электронвольт — фактически рентгеновские лучи.

В 2001 году группы Агостини в Париже и Крауса в Вене получили импульсы уже в 250 и 650 аттосекунд соответственно. Агостини с коллегами впервые смог — на основе ранее предложенного им метода — измерить импульс столь малой длительности. А группа Крауса научилась выделять один импульс из возникшей в нелинейной среде последовательности. В совокупности их опыты позволили перейти к уверенной работе с аттосекундными вспышками.

В свете вспышки

Многие фундаментальные открытия поменяли нашу жизнь не напрямую, а косвенно. От уравнений Эйнштейна для вынужденного излучения до лазеров прошло почти полвека, а от первого лазера до оптоволоконного интернета — еще несколько десятилетий. Тем не менее, фундаментальные открытия задавали новые способы мыслить и давали ученым в руки новые инструменты.

Сжатые в пространстве и времени световые вспышки уже применяются для исследования, например, химических реакций. Принцип здесь тот же, что и при обычной фотосъемке со вспышкой — свет выхватывает один конкретный момент во времени, даже если затвор камеры все время остается открытым. Причем свет в данном случае — может быть и ультрафиолетовым, и даже рентгеновским излучением. Чем меньше длина волны, тем короче может быть световой импульс — но тем сложнее и получить такую вспышку.

Сейчас физики уже успели превратить аттосекундные импульсы в инструмент для изучения свойств электронов — к чему изначально стремились лауреаты. Короткие вспышки позволили проследить за перераспределением электронов в молекулах. Или пронаблюдать за процессом ионизации атома гелия.

Конечно, многие из этих процессов можно было смоделировать на основе квантовомеханических моделей. Но любому расчетному результату требуются экспериментальные подтверждения. Особенно это критично не для отдельных молекул, а для более сложных систем вроде молекулы и оторванного от нее электрона: такая пара, несмотря на разрыв связи, остается квантово запутанной. Кроме того, сильные электрические поля, которые создаются в сверхкоротких импульсах, позволяют менять свойства веществ за счет изменения, например, взаимодействия спинов электронов в молекуле.

Но, как отметили в Нобелевском комитете, у сверхкоротких импульсов света может быть и иное применение — чем короче импульсы, тем быстрее может работать использующее их оптико-электронное устройство. Если на один импульс уходит пусть даже фемтосекунда, то за секунду гипотетически можно передать 10¹⁵ импульсов, то есть порядка сотни терабайт. Или провести около 10¹⁵ логических операций, используя одно-единственное устройство, последовательно оперирующее подобными импульсами. Для сравнения, длительность импульсов, используемых современными электронными устройствами, — около наносекунды, в миллион раз больше. Говорить о процессорах или более быстром интернете, конечно, пока рано, однако «петагерцевая метрология», сверхточные измерения малых промежутков времени, — вполне развивающаяся область.

Среди работ по аттосекундной физике можно найти даже публикации по управляемым термоядерным реакциям. Ведь чем короче вспышка, тем выше ее мощность. Сжав сравнительно небольшую энергию в пространстве и времени, можно добиться экстремально высоких параметров без очень дорогих, требующих много места и электроэнергии, установок.

С помощью аттоимпульсов изучают и очень сильные электромагнитные поля — настолько сильные, что они начинают порождать пары частица-античастица. Сугубо гипотетически, это может когда-нибудь привести к получению антивещества в значимых количествах — но это уже скорее из области научной фантастики. А вот исследование химических реакций и других быстропротекающих процессов, да еще и с точностью до отдельных атомов, — уже реальность. Группа Крауса, например, работает в том числе над применением аттосекундных импульсов в медицинской диагностике: короткая вспышка может помочь выявить разные биомолекулы, включая маркеры тех или иных заболеваний. К слову, некогда казавшийся лабораторной экзотикой импульсный лазер с фемтосекундными импульсами с начала XXI века обосновался в офтальмологических клиниках, и с его помощью уже массово оперируют пациентов.

***

Анн Л’Юилье несколько лет подряд входила в состав Нобелевского жюри — но премий за лазеры не присуждала. Ее членство в Комитете пришлось на 2010–2015 годы, как раз в промежутке между «лазерными» премиями 2005 и 2018 годов. Так что сложно заподозрить, что она специально привлекала внимание Комитета к лазерам.

Скорее мы наблюдаем своего рода эпистемологическую положительную обратную связь. Чем короче вспышки света, которые физикам удается получить, тем больше они узнают о поведении вещества при взаимодействии с ними — и тем эффективнее могут получать еще более короткие импульсы, закладывая почву для новых Нобелевских премий.

Премия Агостини, Крауса и Л’Юилье была бы невозможна, если бы Нобелевский комитет не присудил пять премий их предшественникам. Появление аттосекундной физики было бы невозможно без освоения приемов работы с пико- и наносекундными импульсами. И, разумеется, без самих лазеров.