I en betydningsfull kunngjøring kvelden 3. oktober 2023 ble Nobelprisen i fysikk for året 2023 avduket, en anerkjennelse av de enestående bidragene til tre forskere som har spilt sentrale roller som pionerer innen attosekundlaserteknologi.

Begrepet «attosekundlaser» har fått navnet sitt fra den utrolig korte tidsskalaen den opererer på, nærmere bestemt i størrelsesorden attosekunder, som tilsvarer 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 usedvanlig liten tidsenhet, som utgjør en milliarddel av en milliarddel av et 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 som et enkelt sandkorn som ligger ved foten av fjellet. I dette flyktige tidsintervallet kan selv lys knapt tilbakelegge en avstand som tilsvarer størrelsen på et enkelt atom. Gjennom bruk av attosekundlasere får forskere den enestående evnen til å granske og manipulere den intrikate dynamikken til elektroner i atomstrukturer, i likhet med en bilde-for-bilde slowmotion-avspilling i en filmatisk sekvens, og dermed dykke ned i samspillet mellom dem.

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

For å belyse hva attosekundlasere er og forstå deres ukonvensjonelle egenskaper sammenlignet med konvensjonelle lasere, er det viktig å utforske kategoriseringen deres innenfor den bredere "laserfamilien". Klassifisering etter bølgelengde plasserer attosekundlasere hovedsakelig innenfor området ultrafiolette til myke røntgenfrekvenser, noe som betyr deres betydelig kortere bølgelengder i motsetning til konvensjonelle lasere. Når det gjelder utgangsmoduser, faller attosekundlasere inn under kategorien pulserte lasere, karakterisert av deres usedvanlig korte pulsvarigheter. For å trekke en analogi for klarhetens skyld, kan man se for seg kontinuerlige bølgelasere som en lommelykt som sender ut en kontinuerlig lysstråle, mens pulserte lasere ligner et strobelys, som raskt veksler mellom perioder med lys og mørke. I hovedsak viser attosekundlasere en pulserende oppførsel i lys og mørke, men overgangen mellom de to tilstandene skjer med en forbløffende frekvens og når attosekundernes rike.

Videre kategorisering etter effekt plasserer lasere i laveffekt, middels effekt og høy effekt. Attosekundlasere oppnår høy toppeffekt på grunn av deres ekstremt korte pulsvarighet, noe som resulterer i en uttalt toppeffekt (P) – definert som energiintensiteten per tidsenhet (P = W / t). Selv om individuelle attosekundlaserpulser kanskje ikke har usedvanlig stor energi (W), gir deres forkortede tidsutstrekning (t) dem forhøyet toppeffekt.

Når det gjelder anvendelsesområder, spenner lasere over et spekter som omfatter industrielle, medisinske og vitenskapelige anvendelser. Attosekundlasere finner primært sin nisje innenfor vitenskapelig forskning, spesielt i utforskningen av raskt utviklende fenomener 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 attosekundlasere avhenger vanligvis av gasslasermedier, og utnytter ikke-lineære optiske effekter for å skape harmoniske av høyere orden.

Kort sagt utgjør attosekundlasere en unik klasse av kortpulslasere, som kjennetegnes av sine usedvanlig korte pulsvarigheter, vanligvis målt i attosekunder. Som et resultat har de blitt uunnværlige verktøy for å observere og kontrollere de ultrahurtige dynamiske prosessene til elektroner i atomer, molekyler og faste materialer.

Den forseggjorte prosessen med attosekundlasergenerering

Attosekundlaserteknologi står i forkant av vitenskapelig innovasjon, og kan skryte av et fascinerende strengt sett med betingelser for generering. For å belyse detaljene ved generering av attosekundlasere, begynner vi med en konsis redegjørelse for de underliggende prinsippene, etterfulgt av levende metaforer hentet fra hverdagserfaringer. Lesere som ikke er kjent med detaljene i den relevante fysikken trenger ikke å fortvile, ettersom de påfølgende metaforene har som mål å gjøre den grunnleggende fysikken til attosekundlasere tilgjengelig.

Genereringsprosessen for attosekundlasere er hovedsakelig basert på teknikken kjent som høyharmonisk generering (HHG). For det første fokuseres en stråle av høyintensitets femtosekundlaserpulser (10^-15 sekunder) tett på et gassformig målmateriale. Det er verdt å merke seg at femtosekundlasere, i likhet med attosekundlasere, deler egenskapene med å ha korte pulsvarigheter og høy toppeffekt. Under påvirkning av det intense laserfeltet frigjøres elektroner i gassatomene øyeblikkelig fra atomkjernene sine, og går forbigående inn i en tilstand med frie elektroner. Når disse elektronene oscillerer som respons på laserfeltet, vender de til slutt tilbake til og rekombineres med sine opprinnelige atomkjerner, og skaper nye høyenergitilstander.

Under denne prosessen beveger elektronene seg med ekstremt høye hastigheter, og ved rekombinasjon med atomkjernene frigjør de ytterligere energi i form av høye harmoniske utslipp, som manifesterer seg som høyenergiske fotoner.

Frekvensene til disse nygenererte høyenergifotonene er heltallsmultipler av den opprinnelige laserfrekvensen, og danner det som kalles høyordens harmoniske, hvor "harmoniske" betegner frekvenser som er heltallsmultipler av den opprinnelige frekvensen. For å oppnå attosekundlasere blir det nødvendig å filtrere og fokusere disse høyordens harmoniske, velge spesifikke harmoniske og konsentrere dem til et fokuspunkt. Om ønskelig kan pulskompresjonsteknikker ytterligere forkorte pulsvarigheten, noe som gir ultrakorte pulser i attosekundområdet. Generering av attosekundlasere er tydeligvis en sofistikert og mangesidig prosess som krever høy grad av teknisk dyktighet og spesialisert utstyr.

For å avmystifisere denne intrikate prosessen tilbyr vi en metaforisk parallell forankret i hverdagsscenarier:

Høyintensitets femtosekundlaserpulser:

Se for deg en usedvanlig kraftig katapult som er i stand til å kaste steiner umiddelbart i kolossale hastigheter, i likhet med rollen som høyintensitets femtosekundlaserpulser spiller.

Gassformig målmateriale:

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

Elektronbevegelse og rekombinasjon (fysisk betegnet overgang):

Når femtosekundlaserpulser treffer gassatomene i det gassformige målmaterialet, blir et betydelig antall ytre elektroner øyeblikkelig eksitert til en tilstand der de løsner fra sine respektive atomkjerner og danner en plasmalignende tilstand. Etter hvert som systemets energi deretter avtar (siden laserpulsene iboende er pulserte, med intervaller med opphør), returnerer disse ytre elektronene til sin nærhet av atomkjernene og frigjør høyenergifotoner.

Høy harmonisk generering:

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

Filtrering og fokusering:

Ved å kombinere alle disse nygenererte laserstrålene får man et spektrum av forskjellige farger (frekvenser eller bølgelengder), hvorav noen utgjør attosekundlaseren. For å isolere spesifikke rippelstørrelser og frekvenser kan man bruke et spesialisert filter, på samme måte som å velge ønskede rippler, og bruke et forstørrelsesglass for å fokusere dem på et bestemt område.

Pulskompresjon (hvis nødvendig):

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