I en betydningsfull kunngjøring om kvelden 3. oktober 2023 ble Nobelprisen i fysikk for året 2023 avduket, som anerkjennelse av de fremragende bidragene fra tre forskere som har spilt sentrale roller som pionerer innen attosecond-laserteknologi.

Begrepet "attosecond laser" henter navnet sitt fra den utrolig korte tidsskalaen den opererer på, spesifikt i rekkefølgen av attosekunder, tilsvarende 10^-18 sekunder. For å forstå den dype betydningen av denne teknologien, er en grunnleggende forståelse av hva et attosekund betyr avgjørende. Et attosekund står som en overmåte minutt tidsenhet, som utgjør en milliarddels milliarddels sekund innenfor den bredere konteksten av et enkelt sekund. For å sette dette i perspektiv, hvis vi skulle sammenligne et sekund med et ruvende fjell, ville et attosekund være beslektet med et enkelt sandkorn som ligger ved fjellets base. I dette flyktige tidsintervallet kan til og med lys knapt krysse en avstand som tilsvarer størrelsen til et individuelt atom. Gjennom bruken av attosekundelasere får forskere den enestående evnen til å granske og manipulere den intrikate dynamikken til elektroner i atomstrukturer, beslektet med en sakte-for-bilde-replay i en filmsekvens, og derved dykke ned i deres samspill.

Attosecond lasererepresenterer kulminasjonen av omfattende forskning og samordnet innsats fra forskere, som har utnyttet prinsippene for ikke-lineær optikk for å lage ultraraske lasere. Deres fremkomst har gitt oss et innovativt utsiktspunkt for observasjon og utforskning av de dynamiske prosessene som skjer i atomer, molekyler og til og med elektroner i faste materialer.

For å belyse naturen til attosekundlasere og sette pris på deres ukonvensjonelle egenskaper sammenlignet med konvensjonelle lasere, er det viktig å utforske deres kategorisering innenfor den bredere "laserfamilien." Klassifisering etter bølgelengde plasserer attosekundelasere hovedsakelig innenfor området for ultrafiolette til myke røntgenfrekvenser, noe som indikerer deres spesielt kortere bølgelengder i motsetning til konvensjonelle lasere. Når det gjelder utgangsmoduser, faller attosecond-lasere inn under kategorien pulserende lasere, karakterisert ved deres ekstremt korte pulsvarighet. For å trekke en analogi for klarhet, kan man se for seg kontinuerlige bølgelasere som ligner på en lommelykt som sender ut en kontinuerlig lysstråle, mens pulserende lasere ligner et strobelys, som raskt veksler mellom perioder med belysning og mørke. I hovedsak viser attosecond-lasere en pulserende oppførsel i belysningen og mørket, men overgangen deres mellom de to tilstandene skjer med en forbløffende frekvens og når riket av attosekunder.

Ytterligere kategorisering etter kraft plasserer lasere i braketter med lav effekt, middels kraft og høy effekt. Attosecond-lasere oppnår høy toppeffekt på grunn av deres ekstremt korte pulsvarighet, noe som resulterer i en uttalt toppeffekt (P) – definert som intensiteten av energi per tidsenhet (P=W/t). Selv om individuelle attosekunder-laserpulser kanskje ikke har eksepsjonelt stor energi (W), gir deres forkortede tidsmessige utstrekning (t) dem forhøyet toppeffekt.

Når det gjelder applikasjonsdomener, spenner lasere over et spekter som omfatter industrielle, medisinske og vitenskapelige applikasjoner. Attosecond-lasere finner først og fremst sin nisje innenfor vitenskapelig forskning, spesielt i utforskningen av fenomener i rask utvikling innen fysikk og kjemi, og tilbyr et vindu inn i den mikrokosmiske verdens raske dynamiske prosesser.

Kategorisering etter lasermedium avgrenser lasere som gasslasere, faststofflasere, flytende lasere og halvlederlasere. Genereringen av attosecond-lasere henger vanligvis på gasslasermedier, og utnytter ikke-lineære optiske effekter for å frembringe harmoniske av høy orden.

Oppsummert utgjør attosekundelasere en unik klasse av kortpulslasere, kjennetegnet ved deres ekstraordinært korte pulsvarighet, typisk målt i attosekunder. Som et resultat har de blitt uunnværlige verktøy for å observere og kontrollere de ultraraske dynamiske prosessene til elektroner i atomer, molekyler og faste materialer.

Den forseggjorte prosessen med Attosecond Laser Generation

Attosecond laserteknologi står i forkant av vitenskapelig innovasjon, og kan skryte av et spennende sett med betingelser for sin generasjon. For å belyse forviklingene ved attosecond lasergenerering, begynner vi med en kortfattet fremstilling av dens underliggende prinsipper, etterfulgt av levende metaforer hentet fra hverdagsopplevelser. Lesere som ikke kjenner til detaljene i den relevante fysikken trenger ikke fortvile, ettersom de påfølgende metaforene tar sikte på å gjøre den grunnleggende fysikken til attosekundlasere tilgjengelig.

Genereringsprosessen av attosecond-lasere er først og fremst avhengig av teknikken kjent som High Harmonic Generation (HHG). For det første fokuseres en stråle med femtosekunders (10^-15 sekunder) laserpulser med høy intensitet på et gassformig målmateriale. Det er verdt å merke seg at femtosekundlasere, i likhet med attosekundlasere, deler egenskapene til å ha kort pulsvarighet og høy toppeffekt. Under påvirkning av det intense laserfeltet frigjøres elektroner i gassatomene midlertidig fra deres atomkjerner, og går forbigående inn i en tilstand av frie elektroner. Når disse elektronene oscillerer som svar på laserfeltet, vender de til slutt tilbake til og rekombinerer med sine overordnede atomkjerner, og skaper nye høyenergitilstander.

I løpet av denne prosessen beveger elektroner seg med ekstremt høye hastigheter, og ved rekombinasjon med atomkjernene frigjør de ytterligere energi i form av høye harmoniske utslipp, som manifesterer seg som høyenergifotoner.

Frekvensene til disse nygenererte høyenergifotonene er heltallsmultipler av den opprinnelige laserfrekvensen, og danner det som kalles høyordens harmoniske, der "harmoniske" betegner frekvenser som er integrerte multipler av den opprinnelige frekvensen. For å oppnå attosecond lasere, blir det nødvendig å filtrere og fokusere disse høyordens harmoniske, velge spesifikke harmoniske og konsentrere dem til et fokuspunkt. Om ønskelig kan pulskompresjonsteknikker forkorte pulsvarigheten ytterligere, og gi ultrakorte pulser i attosekundeområdet. Åpenbart utgjør generasjonen av attosecond-lasere en sofistikert og mangefasettert prosess, som krever en høy grad av teknisk dyktighet og spesialisert utstyr.

For å avmystifisere denne intrikate prosessen, tilbyr vi en metaforisk parallell basert på hverdagslige scenarier:

Femtosekundlaserpulser med høy intensitet:

Se for deg å ha en eksepsjonelt kraftig katapult som er i stand til øyeblikkelig å kaste steiner i kolossale hastigheter, i likhet med rollen som spilles av høyintensive femtosekundlaserpulser.

Gassformig målmateriale:

Se for deg en rolig vannmasse som symboliserer det gassformede målmaterialet, der hver vanndråpe representerer utallige gassatomer. Handlingen med å drive steiner inn i denne vannmassen speiler analogt virkningen av høyintensitets femtosekundlaserpulser på det gassformige målmaterialet.

Elektronbevegelse og rekombinasjon (fysisk betegnet overgang):

Når femtosekund-laserpulser påvirker gassatomene i det gassformige målmaterialet, eksiteres et betydelig antall ytre elektroner øyeblikkelig til en tilstand der de løsner fra sine respektive atomkjerner, og danner en plasmalignende tilstand. Ettersom systemets energi deretter avtar (siden laserpulsene er iboende pulserte, med intervaller for opphør), vender disse ytre elektronene tilbake til sin nærhet av atomkjernene, og frigjør høyenergifotoner.

Høy harmonisk generasjon:

Tenk deg hver gang en vanndråpe faller tilbake til innsjøens overflate, skaper den krusninger, omtrent som høye harmoniske i attosekundelasere. Disse krusningene har høyere frekvenser og amplituder enn de originale krusningene forårsaket av den primære femtosekundlaserpulsen. Under HHG-prosessen lyser en kraftig laserstråle, i likhet med kontinuerlig kasting av steiner, et gassmål som ligner innsjøens overflate. Dette intense laserfeltet driver elektroner i gassen, analogt med krusninger, bort fra foreldreatomene og trekker dem deretter tilbake. Hver gang et elektron vender tilbake til atomet, sender det ut en ny laserstråle med høyere frekvens, i likhet med mer intrikate krusningsmønstre.

Filtrering og fokusering:

Kombinasjon av alle disse nygenererte laserstrålene gir et spektrum av forskjellige farger (frekvenser eller bølgelengder), hvorav noen utgjør attosekundlaseren. For å isolere spesifikke krusningsstørrelser og frekvenser, kan du bruke et spesialisert filter, i likhet med å velge ønskede krusninger, og bruke et forstørrelsesglass for å fokusere dem på et bestemt område.

Pulskompresjon (om nødvendig):

Hvis du har som mål å forplante krusninger raskere og kortere, kan du akselerere deres forplantning ved hjelp av en spesialisert enhet, noe som reduserer tiden hver krusning varer. Generering av attosekundelasere innebærer et komplekst samspill av prosesser. Men når den brytes ned og visualiseres, blir den mer forståelig.