— Published on 04/12/2023 / Novi list.
Vox Academiae
ANTIKITERA
NOBELOVA NAGRADA ZA FIZIKU ZA 2022. GODINU
Nobelovu nagradu za fiziku za 2023. godinu dobili su Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier „za eksperimentalne metode kojima se stvaraju atosekundni impulsi svjetlosti za istraživanje dinamike elektrona u tvari”. Doista, tvar se sastoji od atoma, a atomi od jezgri i elektrona. Sva fizikalna i kemijska svojstva tvari proizlaze iz međudjelovanja tih elektrona. Slobodnije rečeno, svu beskrajnu raznolikost svijeta koji nas okružuje dugujemo gibanjima elektrona u tvari. A ta su gibanja, iz naše perspektive, ekstremno brza. Tipično trajanje elektronskih promjena je reda veličine atosekunde ili 10–18 sekundi. Tako sićušna vremenska skala dosad je, u opažačkom smislu, bila potpuno nedostižna.
Jedna atosekunda je milijarditi dio milijarditog dijela sekunde. Taj nepojmljivo kratki djelić vremena onoliko je puta manji od jedne sekunde koliko je puta jedna sekunda manja od starosti svemira. Druga usporedba kojom se pokušava dočarati trajanje atosekunde je ova: da bi svjetlost prošla duljinu sobe, recimo tri metra, treba joj deset milijardi atosekundi! Za jednu atosekundu svjetlost stigne prijeći tek udaljenost koja odgovara promjeru atoma.
Pulsni laseri donedavno su omogućavali impulse trajanja femtosekunde ili 10–15 sekundi. To je bilo dovoljno za istraživanje gibanja atoma. Atomi su tisućama puta masivniji od elektrona, pa su i toliko tromiji te onda i sporiji. Elektroni su puno manji, lakši i brži. Za njih je femtosekunda preduga. Opažanjem koje traje femtosekundu elektron se ne može uhvatiti, kao što se fotoaparatom s ekspozicijom od jedne tisućinke sekunde ne može snimiti oštra slika metka u letu. I to je tisuću puta preduga ekspozicija. S predugom ekspozicijom slika je mutna. Objekt je razmazan po slici zato što je njegova svjetlost stigla doći s raznih mjesta.
No, kako skratiti duljinu pulsa na desetak atosekundi? Rješenje je proizašlo iz otkrića do kojeg su 1987. došli Anne L’Huillier i njezini suradnici u Francuskoj. Oni su, naime, otkrili da svjetlost lasera u interakciji s atomima plemenitog plina stvara harmonike čijom superpozicijom nastaju udari. Harmonici i udari su dobro poznata pojava iz fizike valova, konkretno, uobičajeni su kod zvučnih valova.
Kad gibanje vala prostorno ograničimo, kao što je to slučaj kod vala na žici gitare, onda se val pri dolasku na fiksnu točku (kod gitare je to učvršćeni kraj žice) reflektira. Tada po žici putuju dva vala u suprotnim smjerovima i oni međudjeluju, odnosno interferiraju. To znači da od dva vala nastaje jedan val čiji otklon u svakoj točki odgovara algebarskom zbroju otklona dvaju valova. Rezultat je stojni val koji može imati samo neke valne duljine. Ali, pritom postoji više mogućih oblika rezultatnog vala, koje zovemo harmonici: osnovni harmonik i viši harmonici. Što su harmonici viši, to je razlika u valnim duljinama među njima manja.
Neovisno od harmonika, poznata je i pojava udara. Kada interferiraju dva vala bliskih – ne jednakih, ali ne ni jako različitih – valnih duljina, onda se intenzitet rezultantnog vala periodično pojačava i smanjuje. Kod zvuka se čuje čas glasniji čas tiši zvuk, kao da se netko igra kotačićem za kontrolu glasnoće okrećući ga neprekidno lijevo-desno.
Anne L’Huillier i njezini suradnici proizveli su udare elektromagnetskim valovima pojedinih harmonika koji su nastali emisijom svjetlosti iz atoma plemenitog plina čiji su elektroni izbacivani pa vraćani u atom periodičnom promjenom električnog polja iz svjetlosti lasera. Ti udari elektromagnetskih valova su zapravo impulsi čije se trajanje mjerilo upravo u atosekundama.
Pierre Agostini i njegovi suradnici, također iz Francuske, uspjeli su potom dobiti cijeli niz takvih atosekundnih pulseva, koji su putovali poput vagona nekog vlaka. Potom su taj vlak, u kombinaciji s izvornim laserskim snopom, uspjeli koristiti za provođenje niza eksperimenata u kojima se odvijaju ekstremno brze promjene.
Otprilike u isto vrijeme su, pak, Ferenc Krausz i njegova istraživačka skupina u Austriji razvili metodu izdvajanja samo jednog atosekundnog impulsa iz niza, poput preusmjeravanja samo jednog vagona na drugi kolosijek. Taj pojedini impuls mogli su koristiti za istraživanje procesa izbacivanja elektrona iz atoma.
Premda je analogija s duljinom ekspozicije fotoaparata korisna za razumijevanje važnosti kratkoće impulsa za procese u kojima sudjeluju elektroni, taj atosekundni puls se ne koristi doslovno za otvaranje/zatvaranje blende nekog „fotoaparata” koji doslovno snima elektrone. Umjesto toga, početak i kraj impulsa koristi se kao okidač za aktiviranje nekih pojava vezanih uz dinamiku elektrona. To nam omogućuje finu manipulaciju na razini pojedinačnih elektrona. Moguće primjene toga fenomena su brojne.
Kao što je rečeno u uvodu, elektroni su vanjski dijelovi atoma. Povezivanje atoma u molekule (kod kemijskih spojeva) ili povezivanje atoma u kristalnu rešetku (kod kemijskih elemenata, legura ili poluvodiča) određuju upravo elektroni. Svojstva tvari, koja su posljedica tih povezivanja, određuju, dakle, upravo elektroni. Zato su primjene atosekundnih impulsa moguće praktički svugdje, od elektronike do medicinske dijagnostike.
Doista, rad elektroničkih naprava temelji se na gibanju elektrona u poluvodičima. Svojstva tih naprava proizlaze iz našeg umijeća da kontroliramo gibanja elektrona. A uz atosekundne laserske impulse načelno je moguće manipulirati elektronima mnogo preciznije nego do sada. Procjenjuje se da bi se brzina elektronike, s ovakvim primjenama, mogla porasti i do sto tisuća puta.
Što se primjene u medicinskoj dijagnostici tiče, elektroni povezuju atome svih molekula u tijelu, a male promjene u strukturi tih molekula vidljive su u finim detaljima molekulskih spektara. Atosekundni impulsi pogodni su onda za rano uočavanje neznatnih promjena u molekulama koje grade našu krv. Promjene u tim molekulama pokazatelj su, primjerice, vrlo rane faze raka pluća, čije rano otkrivanje znatno povećava šanse za izlječenje.
Uz ove potencijalne primjene atosekundne fizike s vremenom će se, vrlo vjerojatno, pojaviti i mnoge druge, potpuno neočekivane primjene. To je uobičajeno za temeljna istraživanja, odnosno ona koja pokreću tehnologiju i čije se provođenje u praksi zna ostvariti tek desetljećima nakon njihovog otkrića.