Në një njoftim të rëndësishëm në mbrëmjen e 3 tetorit 2023, u zbulua çmimi Nobel në Fizikë për vitin 2023, duke njohur kontributin e jashtëzakonshëm të tre shkencëtarëve që kanë luajtur role kryesore si pionierë në fushën e teknologjisë së lazerit attosecond.

Termi "lazer attosecond" e merr emrin e tij nga shkalla kohore tepër e shkurtër në të cilën vepron, veçanërisht në rendin e attosekondave, që korrespondon me 10^-18 sekonda. Për të kuptuar domethënien e thellë të kësaj teknologjie, një kuptim themelor i asaj që nënkupton një attosecond është thelbësor. Një attosekondë qëndron si një njësi kohore jashtëzakonisht minutëshe, që përbën një të miliardën e një miliarda të sekondës brenda kontekstit më të gjerë të një sekonde të vetme. Për ta parë këtë në perspektivë, nëse do të krahasonim një sekondë me një mal të lartë, një attosekond do të ishte i ngjashëm me një kokërr të vetme rëre të vendosur në bazën e malit. Në këtë interval kohor të shkurtër, edhe drita mezi mund të përshkojë një distancë të barabartë me madhësinë e një atomi individual. Nëpërmjet përdorimit të lazerëve attosekondë, shkencëtarët fitojnë aftësinë e paprecedentë për të shqyrtuar dhe manipuluar dinamikën e ndërlikuar të elektroneve brenda strukturave atomike, të ngjashme me një riprodhim me lëvizje të ngadaltë kornizë për kornizë në një sekuencë kinematografike, duke u thelluar kështu në ndërveprimin e tyre.

Lazer atotosekondapërfaqësojnë kulmin e kërkimeve të gjera dhe përpjekjeve të bashkërenduara nga shkencëtarët, të cilët kanë shfrytëzuar parimet e optikës jolineare për të krijuar lazer ultra të shpejtë. Ardhja e tyre na ka pajisur me një pikë të favorshme novatore për vëzhgimin dhe eksplorimin e proceseve dinamike që ndodhin brenda atomeve, molekulave dhe madje edhe elektroneve në materialet e ngurta.

Për të sqaruar natyrën e lazerëve attosekondë dhe për të vlerësuar atributet e tyre jokonvencionale në krahasim me lazerët konvencionalë, është e domosdoshme të eksplorohet kategorizimi i tyre brenda "familjes së lazerëve" më të gjerë. Klasifikimi sipas gjatësisë valore i vendos lazerët attosekonda kryesisht brenda intervalit të frekuencave ultravjollcë në ato të buta të rrezeve X, duke nënkuptuar gjatësitë e tyre valore dukshëm më të shkurtra në kontrast me lazerët konvencionalë. Për sa i përket modaliteteve të daljes, lazerët attosekonda bien nën kategorinë e lazerëve pulsues, të karakterizuar nga kohëzgjatja e tyre jashtëzakonisht e shkurtër e pulsit. Për të nxjerrë një analogji për qartësi, mund të parashikohen lazerët me valë të vazhdueshme të ngjashme me një elektrik dore që lëshon një rreze të vazhdueshme drite, ndërsa lazerët pulsues i ngjajnë një drite strobe, duke alternuar me shpejtësi midis periudhave të ndriçimit dhe errësirës. Në thelb, lazerët attosekonda shfaqin një sjellje pulsuese brenda ndriçimit dhe errësirës, ​​megjithatë kalimi i tyre midis dy gjendjeve ndodh me një frekuencë mahnitëse, duke arritur në mbretërinë e attosekondave.

Kategorizimi i mëtejshëm sipas fuqisë i vendos lazerët në kllapa me fuqi të ulët, me fuqi të mesme dhe me fuqi të lartë. Lazerët attosekondë arrijnë fuqi maksimale të lartë për shkak të kohëzgjatjes së tyre jashtëzakonisht të shkurtër të pulsit, duke rezultuar në një fuqi maksimale të theksuar (P) - e përcaktuar si intensiteti i energjisë për njësi të kohës (P=W/t). Megjithëse impulset individuale të lazerit attosekondë mund të mos kenë energji jashtëzakonisht të madhe (W), shtrirja e tyre e shkurtuar kohore (t) u jep atyre fuqi maksimale të ngritur.

Për sa i përket fushave të aplikimit, lazerët përfshijnë një spektër që përfshin aplikime industriale, mjekësore dhe shkencore. Lazerët Attosecond kryesisht e gjejnë vendin e tyre brenda sferës së kërkimit shkencor, veçanërisht në eksplorimin e fenomeneve me zhvillim të shpejtë brenda fushave të fizikës dhe kimisë, duke ofruar një dritare në proceset e shpejta dinamike të botës mikrokozmike.

Kategorizimi sipas mediumit lazer përcakton lazerët si lazer me gaz, lazer në gjendje të ngurtë, lazer të lëngshëm dhe lazer gjysmëpërçues. Gjenerimi i lazerëve attosekondë zakonisht varet nga media lazer me gaz, duke kapitalizuar efektet optike jolineare për të krijuar harmonikë të rendit të lartë.

Si përmbledhje, lazerët attosekonda përbëjnë një klasë unike lazerësh me puls të shkurtër, të dalluar nga kohëzgjatja e tyre jashtëzakonisht e shkurtër e pulsit, e matur zakonisht në attosekonda. Si rezultat, ato janë bërë mjete të domosdoshme për vëzhgimin dhe kontrollin e proceseve dinamike ultra të shpejta të elektroneve brenda atomeve, molekulave dhe materialeve të ngurta.

Procesi i përpunuar i gjenerimit të laserit Attosecond

Teknologjia e lazerit Attosecond qëndron në ballë të inovacionit shkencor, duke mburrur një grup kushtesh intriguese rigoroze për gjenerimin e saj. Për të sqaruar ndërlikimet e gjenerimit të lazerit attosecond, ne fillojmë me një ekspozim konciz të parimeve të tij themelore, të ndjekura nga metafora të gjalla që rrjedhin nga përvojat e përditshme. Lexuesit e pavetëdijshëm në ndërlikimet e fizikës përkatëse nuk duhet të dëshpërohen, pasi metaforat që pasojnë synojnë ta bëjnë të arritshme fizikën themelore të lazerëve attosekonda.

Procesi i gjenerimit të lazerëve attosekondë mbështetet kryesisht në teknikën e njohur si Gjenerimi i Harmonisë së Lartë (HHG). Së pari, një rreze e impulseve lazer me intensitet të lartë femtosekonda (10^-15 sekonda) fokusohet fort në një material objektiv të gaztë. Vlen të përmendet se lazerët femtosekondë, të ngjashëm me lazerët attosekondë, ndajnë karakteristikat e posedimit të kohëzgjatjes së shkurtër të pulsit dhe fuqisë së lartë të pikut. Nën ndikimin e fushës intensive të lazerit, elektronet brenda atomeve të gazit çlirohen për një moment nga bërthamat e tyre atomike, duke hyrë përkohësisht në një gjendje të elektroneve të lira. Ndërsa këto elektrone lëkunden në përgjigje të fushës lazer, ato përfundimisht kthehen dhe rikombinohen me bërthamat e tyre atomike mëmë, duke krijuar gjendje të reja me energji të lartë.

Gjatë këtij procesi, elektronet lëvizin me shpejtësi jashtëzakonisht të larta dhe pas rikombinimit me bërthamat atomike, ato lëshojnë energji shtesë në formën e emetimeve të larta harmonike, duke u shfaqur si fotone me energji të lartë.

Frekuencat e këtyre fotoneve me energji të lartë të krijuara rishtazi janë shumëfisha të plotë të frekuencës origjinale të laserit, duke formuar atë që quhet harmonikë e rendit të lartë, ku "harmonikë" tregon frekuenca që janë shumëfisha integrale të frekuencës origjinale. Për të arritur lazerat attosekondë, bëhet e nevojshme të filtroni dhe fokusoni këto harmonikë të rendit të lartë, duke zgjedhur harmonikë të veçantë dhe duke i përqendruar ato në një pikë qendrore. Nëse dëshironi, teknikat e kompresimit të pulsit mund të shkurtojnë më tej kohëzgjatjen e pulsit, duke dhënë impulse ultra të shkurtra në intervalin attosekondë. Me sa duket, gjenerimi i lazerëve attosekondë përbën një proces të sofistikuar dhe të shumëanshëm, që kërkon një shkallë të lartë aftësie teknike dhe pajisje të specializuara.

Për të çmitizuar këtë proces të ndërlikuar, ne ofrojmë një paralele metaforike të bazuar në skenarë të përditshëm:

Pulset me laser femtosekonda me intensitet të lartë:

Imagjinoni të zotëroni një katapultë jashtëzakonisht të fuqishme të aftë për të hedhur gurë në çast me shpejtësi kolosale, të ngjashme me rolin e luajtur nga pulsimet e lazerit femtosekondë me intensitet të lartë.

Materiali i synuar i gaztë:

Imagjinoni një trup të qetë uji që simbolizon materialin e synuar të gaztë, ku çdo pikë uji përfaqëson një mori atomesh gazi. Akti i shtytjes së gurëve në këtë trup uji pasqyron në mënyrë analoge ndikimin e pulseve të lazerit femtosekondë me intensitet të lartë në materialin e gaztë të synuar.

Lëvizja dhe rikombinimi i elektroneve (Tranzicioni i quajtur fizikisht):

Kur impulset e laserit femtosekonda prekin atomet e gazit brenda materialit të synuar të gaztë, një numër i konsiderueshëm elektronesh të jashtëm ngacmohen për një moment në një gjendje ku shkëputen nga bërthamat e tyre atomike përkatëse, duke formuar një gjendje të ngjashme me plazmën. Ndërsa energjia e sistemit zvogëlohet më pas (pasi pulset e lazerit janë në thelb pulsuese, duke shfaqur intervale ndërprerjeje), këto elektrone të jashtme kthehen në afërsi të bërthamave atomike, duke lëshuar fotone me energji të lartë.

Gjenerata me harmoni të lartë:

Imagjinoni sa herë që një pikë uji bie përsëri në sipërfaqen e liqenit, ajo krijon valëzime, njësoj si harmonikë të lartë në lazerat attosekondë. Këto valëzime kanë frekuenca dhe amplituda më të larta se valëzimet origjinale të shkaktuara nga pulsi primar lazer femtosekondi. Gjatë procesit të HHG, një rreze e fuqishme lazer, e ngjashme me gurët që hedhin vazhdimisht, ndriçon një objektiv gazi, që i ngjan sipërfaqes së liqenit. Kjo fushë intensive lazeri i shtyn elektronet në gaz, analoge me valëzimet, larg atomeve të tyre mëmë dhe më pas i tërheq ato prapa. Sa herë që një elektron kthehet në atom, ai lëshon një rreze të re lazer me një frekuencë më të lartë, e ngjashme me modelet më të ndërlikuara të valëzimit.

Filtrimi dhe fokusimi:

Kombinimi i të gjitha këtyre rrezeve lazer të krijuara rishtazi jep një spektër ngjyrash të ndryshme (frekuenca ose gjatësi vale), disa prej të cilave përbëjnë lazerin attosecond. Për të izoluar madhësi dhe frekuenca specifike të valëzimeve, mund të përdorni një filtër të specializuar, i ngjashëm me zgjedhjen e valëzimeve të dëshiruara dhe të përdorni një xham zmadhues për t'i fokusuar ato në një zonë specifike.

Kompresimi i pulsit (nëse është e nevojshme):

Nëse synoni të përhapni valëzime më shpejt dhe më të shkurtër, mund ta përshpejtoni përhapjen e tyre duke përdorur një pajisje të specializuar, duke zvogëluar kohën që zgjat çdo valëzim. Gjenerimi i lazerëve attosekondë përfshin një ndërveprim kompleks procesesh. Megjithatë, kur zbërthehet dhe vizualizohet, bëhet më e kuptueshme.