_ Trei oameni de știință câștigă Premiul Nobel pentru fizică pentru lucrul la electronii din atomi în timpul fracțiunilor de secunde

Premiul Nobel pentru fizică a fost acordat marți trei oameni de știință care se uită la electronii din atomi în cea mai mică fracțiune de secundă.

Pierre Agostini de la Universitatea de Stat din Ohio din S.U.A.; Ferenc Krausz de la Institutul de Optică Cuantică Max Planck și Universitatea Ludwig Maximilian din München, Germania; și Anne L'Huillier de la Universitatea Lund din Suedia au câștigat premiul.

Experimentele lor „au oferit omenirii noi instrumente pentru explorarea lumii electronilor din interiorul atomilor și moleculelor”, conform Academiei Regale de Științe Suedeze, care a anunţat premiul la Stockholm. Ei „au demonstrat o modalitate de a crea impulsuri de lumină extrem de scurte care pot fi folosite pentru a măsura procesele rapide în care electronii se mișcă sau schimbă energia.”

În acest moment, această știință se referă mai degrabă la înțelegerea universului nostru. decât aplicații practice, dar speranța este că va duce în cele din urmă la o mai bună electronică și diagnosticarea bolilor.

L'Huillier, care este doar a cincea femeie care a primit un Nobel pentru fizică, a spus că preda când ea a primit apelul că ea a câștigat. Ea a glumit că a fost greu să termin lecția.

"Asta este cea mai prestigioasă și sunt atât de fericită să obțin acest premiu. Este incredibil", a spus ea în conferința de presă de anunțare a premiului. „După cum știți, nu sunt atât de multe femei care au primit acest premiu, așa că este foarte special.”

Premiile Nobel includ un premiu în numerar de 11 milioane de coroane suedeze (1 milion de dolari). Banii provin dintr-un moștenire lăsată de creatorul premiului, inventatorul suedez Alfred Nobel, care a murit în 1896.

Anul trecut, trei oameni de știință au câștigat împreună premiul pentru fizică pentru că au demonstrat că particulele minuscule ar putea păstra o legătură cu fiecare dintre ele. altele chiar și atunci când sunt separate. Fenomenul a fost odată pus la îndoială, dar acum este explorat pentru potențiale aplicații din lumea reală, cum ar fi criptarea informațiilor.

Premiul pentru fizică vine la o zi după ce maghiaro-americanul Katalin Karikó și americanul Drew Weissman au câștigat Premiul Nobel pentru medicină pentru descoperirile care au permis crearea de vaccinuri ARNm împotriva COVID-19.

Anunțurile Nobel vor continua cu premiul pentru chimie miercuri și cu premiul pentru literatură joi. Premiul Nobel pentru Pace va fi anunțat vineri, iar premiul pentru economie pe 9 octombrie.

Laureații sunt invitați să-și primească premiile în cadrul ceremoniilor din 10 decembrie, aniversarea morții lui Nobel. Prestigiul premiu al păcii este înmânat la Oslo, conform dorințelor sale, în timp ce cealaltă ceremonie de decernare are loc la Stockholm.

Academia Regală Suedeză de Științe a decis să acorde premiul Premiul Nobel pentru fizică 2023 la

Universitatea de Stat din Ohio, Columbus, S.U.A.

Institutul Max Planck de Optică Cuantică, Garching și Ludwig-Maximilians-Universität München, Germania

Universitatea Lund, Suedia

„pentru metode experimentale care generează impulsuri de lumină attosecunde pentru studiul dinamicii electronilor în materie”

Cei trei laureați ai Nobel pentru fizică 2023 sunt recunoscuți pentru experimentele lor, care au oferit umanității noi instrumente pentru a explora lumea electronilor din interiorul atomilor și moleculelor. Pierre Agostini, Ferenc Krausz și Anne L'Huillier au demonstrat o modalitate de a crea impulsuri de lumină extrem de scurte care pot fi utilizate pentru a măsura procesele rapide în care electronii se mișcă sau schimbă energia.

Evenimentele cu mișcare rapidă curg. unele în altele atunci când sunt percepute de oameni, la fel cum un film care constă din imagini statice este perceput ca o mișcare continuă. Dacă vrem să investigăm evenimente cu adevărat scurte, avem nevoie de tehnologie specială. În lumea electronilor, schimbările au loc în câteva zecimi de attosecundă — o attosecundă este atât de scurtă încât sunt atâtea într-o secundă câte secunde au fost de la nașterea universului.

Experimentele laureaților au produs impulsuri de lumină atât de scurte încât sunt măsurate în attosecunde, demonstrând astfel că aceste impulsuri pot fi folosite pentru a oferi imagini ale proceselor din interiorul atomilor și moleculelor.

În 1987, Anne L'Huillier a descoperit că multe nuanțe diferite de lumină au apărut atunci când a transmis lumină laser infraroșu printr-un gaz nobil. Fiecare ton este o undă luminoasă cu un număr dat de cicluri pentru fiecare ciclu în lumina laser. Acestea sunt cauzate de interacțiunea luminii laser cu atomii din gaz; le oferă unor electroni energie suplimentară care este apoi emisă sub formă de lumină. Anne L'Huillier a continuat să exploreze acest fenomen, punând bazele descoperirilor ulterioare.

În 2001, Pierre Agostini a reușit să producă și să investigheze o serie de impulsuri de lumină consecutive, în care fiecare impuls a durat doar 250 de attosecunde. . În același timp, Ferenc Krausz lucra cu un alt tip de experiment, unul care a făcut posibilă izolarea unui singur impuls de lumină care a durat 650 de attosecunde.

Contribuțiile laureaților au permis investigarea proceselor care sunt atât de rapid încât înainte erau imposibil de urmărit.

„Acum putem deschide ușa către lumea electronilor. Fizica atosecundei ne oferă posibilitatea de a înțelege mecanismele care sunt guvernate de electroni. Următorul pas va fi utilizarea ei”, spune Eva Olsson, președintele Comitetului Nobel pentru Fizică.

Există aplicații potențiale în multe domenii diferite. În electronică, de exemplu, este important să înțelegeți și să controlați modul în care se comportă electronii într-un material. Pulsurile de attosecundă pot fi, de asemenea, folosite pentru a identifica diferite molecule, cum ar fi în diagnosticul medical.

Prin experimentele lor, laureații din acest an au creat fulgere de lumină suficient de scurte pentru a face instantanee ale mișcărilor extrem de rapide ale electronilor. Anne L'Huillier a descoperit un nou efect din interacțiunea luminii laser cu atomii dintr-un gaz. Pierre Agostini și Ferenc Krausz au demonstrat că acest efect poate fi folosit pentru a crea impulsuri de lumină mai scurte decât erau posibile anterior.

O pasăre colibri minuscul își poate bate aripile de 80 de ori pe secundă. Putem percepe acest lucru doar ca un zgomot și o mișcare încețoșată. Pentru simțurile umane, mișcările rapide se estompează împreună, iar evenimentele extrem de scurte sunt imposibil de observat. Trebuie să folosim trucuri tehnologice pentru a surprinde sau a descrie aceste momente foarte scurte.

Fotografiile de mare viteză și iluminarea stroboscopică fac posibilă surprinderea de imagini detaliate ale fenomenelor de picior. O fotografie foarte focalizată a unei păsări colibri în luptă necesită un timp de expunere mult mai scurt decât o singură bătaie de aripă.

Cu cât evenimentul este mai rapid, cu atât mai rapid trebuie făcută fotografia pentru a captura clipa.

Același principiu se aplică tuturor metodelor utilizate pentru măsurarea sau reprezentarea proceselor rapide; orice măsurătoare trebuie făcută mai rapid decât timpul necesar pentru ca sistemul studiat să sufere o schimbare notabilă, altfel rezultatul este vag. Laureații din acest an au efectuat experimente care demonstrează o metodă de producere a impulsurilor de lumină care sunt suficient de scurte pentru a captura imagini ale proceselor din interiorul atomilor și moleculelor.

Scara de timp naturală a atomilor este incredibil de scurtă. Într-o moleculă, atomii se pot mișca și se pot transforma în milionatimi de miliardime de secundă, femtosecunde. Aceste mișcări pot fi studiate cu cele mai scurte impulsuri care pot fi produse cu un laser, dar atunci când atomi întregi se mișcă, scala de timp este determinată de nucleele lor mari și grele, care sunt extrem de lente în comparație cu electronii ușori și ageri.

Când electronii se mișcă în interiorul atomilor sau moleculelor, o fac atât de repede încât schimbările sunt estompate într-o femtosecundă. În lumea electronilor, pozițiile și energiile se schimbă la viteze cuprinse între una și câteva sute de attosecunde, unde o attosecundă este o miliardime dintr-o miliardime de secundă.

O attosecundă este atât de scurtă încât numărul lor într-o secundă este același cu numărul de secunde care au trecut de la apariția universului, acum 13,8 miliarde de ani. La o scară mai identificabilă, ne putem imagina o fulger de lumină care este trimisă de la un capăt al unei încăperi către peretele opus - acest lucru durează zece miliarde de attosecunde.

O femtosecundă a fost mult timp considerată ca limită pentru fahe-uri. de lumină pe care a fost posibil să se producă.

Îmbunătățirea tehnologiei existente nu a fost suficientă pentru a vedea procesele care au loc pe intervalele de timp uimitor de scurte ale electronilor; era nevoie de ceva cu totul nou. Laureații din acest an au efectuat experimente care au deschis noul domeniu de cercetare al fizicii atosecundei.

Lumina constă din unde – vibrații în câmpuri electrice și magnetice – care se deplasează prin vid mai repede decât orice altceva. Acestea au lungimi de undă diferite, echivalente cu diferite culori. De exemplu, lumina roșie are o lungime de undă de aproximativ 700 de nanometri, o sutime din lățimea unui fir de păr și circulă cu aproximativ patru sute treizeci de mii de miliarde de ori pe secundă. Ne putem gândi la cel mai scurt puls de lumină posibil ca lungimea unei singure perioade în unda luminoasă, ciclul în care acesta se balansează până la un vârf, în jos până la un jgheab și înapoi la punctul său de pornire. În acest caz, lungimile de undă utilizate în sistemele laser obișnuite nu pot scădea niciodată sub o femtosecundă, așa că în anii 1980 aceasta era considerată o limită dură pentru cele mai scurte explozii de lumină posibile.

Matematica care descrie unde demonstrează că orice formă de undă poate fi construită dacă sunt folosite suficiente valuri de dimensiuni, lungimi de undă și amplitudini potrivite (distanțele dintre vârfuri și jgheaburi). Trucul pentru impulsuri de attosecundă este că este posibil să se producă impulsuri mai scurte combinând lungimi de undă mai multe și mai scurte.

Observarea mișcărilor electronilor la scară atomică necesită impulsuri de lumină suficient de scurte, ceea ce înseamnă combinarea undelor scurte de multe lungimi de undă diferite.

Pentru a adăuga noi lungimi de undă la lumină, este necesar mai mult decât un simplu laser; cheia accesării celui mai scurt moment studiat vreodată este un fenomen care apare atunci când lumina laser trece printr-un gaz. Lumina interacționează cu atomii săi și provoacă tonuri - unde care completează un număr de cicluri întregi pentru fiecare ciclu din valul original. Putem compara acest lucru cu tonurile care dau unui sunet caracterul său particular, permițându-ne să auzim diferența dintre aceeași notă interpretată la chitară și la un pian.

În 1987, Anne L'Huillier și colegii ei la un laborator francez au reușit să producă și să demonstreze tonuri folosind un fascicul laser infraroșu care a fost transmis printr-un gaz nobil. Lumina infraroșie

a provocat nuanțe mai multe și mai puternice decât laserul cu lungimi de undă mai scurte care fusese folosit în experimentele anterioare. În acest experiment, au fost observate multe tonuri de aproximativ aceeași intensitate a luminii.

Într-o serie de articole, L'Huillier a continuat să exploreze acest efect în anii 1990, inclusiv la noua ei bază, Universitatea Lund. Rezultatele ei au contribuit la înțelegerea teoretică a acestui fenomen, punând bazele următoarei descoperiri experimentale.

Atunci când lumina laserului intră în gaz și îi afectează atomii, provoacă vibrații electromagnetice care distorsionează câmpul electric care deține electroni în jurul nucleului atomic. Electronii pot scăpa apoi din atomi. Cu toate acestea, câmpul electric al luminii vibrează continuu și, atunci când își schimbă direcția, un electron liber se poate repezi înapoi în nucleul atomului său. În timpul excursiei electronului, acesta a colectat multă energie suplimentară din câmpul electric al luminii laser și, pentru a se atașa din nou la nucleu, trebuie să elibereze excesul de energie ca un impuls de lumină. Aceste impulsuri de lumină de la electroni sunt cele care creează tonurile care apar în experimente.

Energia luminii este asociată cu lungimea de undă. Energia din tonurile emise este echivalentă cu lumina ultravioletă, care are lungimi de undă mai scurte decât lumina vizibilă pentru ochiul uman. Deoarece energia provine din vibrațiile luminii laser, vibrația tonurilor va fi elegant proporțională cu lungimea de undă a impulsului laser original. Rezultatul interacțiunii luminii cu mulți atomi diferiți sunt diferite unde luminoase cu un set de lungimi de undă specifice.

Odată ce aceste tonuri există, ele interacționează între ele. Lumina devine mai intensă atunci când vârfurile undelor de lumină coincid, dar devine mai puțin intensă atunci când vârful dintr-un ciclu coincide cu cel al altuia. În circumstanțele potrivite, tonurile coincid astfel încât să apară o serie de impulsuri de lumină ultravioletă, în care fiecare impuls are o lungime de câteva sute de attosecunde. Fizicienii au înțeles teoria din spatele acestui lucru în anii 1990, dar descoperirea efectivă în identificarea și testarea pulsurilor a avut loc în 2001.

Pierre Agostini și grupul său de cercetare din Franța au reușit să producă și să investigheze o serie de impulsuri luminoase consecutive. , ca un tren cu vagoane. Au folosit un truc special, punând „trenul de impulsuri” împreună cu o parte întârziată a pulsului laser original, pentru a vedea cum tonurile erau în fază unele cu altele. Această procedură le-a dat, de asemenea, o măsurare a duratei impulsurilor din tren și au putut vedea că fiecare impuls a durat doar 250 de attosecunde.

În același timp, Ferenc Krausz și grupul său de cercetare din Austria au fost lucrând la o tehnică care ar putea selecta un singur impuls - cum ar fi un vagon care este decuplat de un tren și comutat pe o altă cale. Pulsul pe care au reușit să-l izoleze a durat 650 de attosecunde, iar grupul l-a folosit pentru a urmări și a studia un proces în care electronii au fost îndepărtați de atomii lor.

Aceste experimente au demonstrat că pulsurile de attosecunde pot fi observate și măsurate și că ar putea fi folosite și în noi experimente.

Acum, când lumea attosecundei a devenit accesibilă, aceste rafale scurte de lumină pot fi folosite pentru a studia mișcările electronilor. Acum este posibil să se producă impulsuri până la doar câteva zeci de attosecunde, iar această tehnologie se dezvoltă tot timpul.

Impulsurile de attosecunde fac posibilă măsurarea timpului necesar pentru ca un electron să fie smuls un atom și pentru a examina cât de mult timp depinde de cât de strâns este legat electronul de nucleul atomului. Este posibil să se reconstituie modul în care distribuția electronilor oscilează dintr-o parte în alta sau dintr-un loc în altul în molecule și materiale; anterior, poziția lor putea fi măsurată doar ca medie.

Pulsurile de attosecundă pot fi folosite pentru a testa procesele interne ale materiei și pentru a identifica diferite evenimente. Aceste impulsuri au fost folosite pentru a explora fizica detaliată a atomilor și a moleculelor și au potențiale aplicații în domenii de la electronică la medicină.

De exemplu, impulsurile de attosecundă pot fi folosite pentru a împinge molecule, care emit o valoare măsurabilă. semnal. Semnalul de la molecule are o structură specială, un tip de amprentă digitală care dezvăluie ce moleculă este, iar posibilele aplicații ale acesteia includ diagnosticarea medicală.

© 2023 The Associated Press. Toate drepturile rezervate. Acest material nu poate fi publicat, difuzat, rescris sau redistribuit fără permisiune.

(Fluierul)