Svět bojových umění, jen rychle.
Někdy uvedeme velmi krátký čas, popsaný jako „doba srdečního tepu“, a trvání srdečního tepu je 10 až 18 mocnin sekundy.
V nedávném experimentu podobném stop-motion fotografii tým vědců ze Spojených států a Německa poprvé zachytil „freeze frames“ elektronů pohybujících se v kapalné vodě v reálném čase a výsledky byly publikovány v časopise Science.
Odborníci z poroty vysvětlují výsledky výzkumu nositelů Nobelovy ceny za fyziku za rok 2023 při vyhlášení Nobelovy ceny za fyziku za rok 2023 ve Stockholmu, Švédsko, 3. října 2023
Podle expertů výsledek znamená velký pokrok v experimentální fyzice, protože poskytuje okno do elektronické struktury molekul v kapalinách v časových měřítcích, které byly dříve nedosažitelné pomocí rentgenového záření. Dříve byli vědci schopni rozlišit pohyb elektronů pouze na časové škále pikosekund (1 sekunda=1 bilion pikosekund). Nyní schopnost studovat elektronické reakce rentgenových paprsků zasahujících cíl v měřítku attosekund umožňuje výzkumníkům ponořit se do chemických reakcí vyvolaných zářením milionkrát rychleji než předchozí metody.
Vše nasvědčuje tomu, že attosekundový laser může být klíčem k odemknutí tajemného světa elektroniky.
Co je to "attosekunda"?
Pro běžné lidi je attosekunda extrémně zvláštní pojem.
Ve skutečnosti, již v období Válčících států, slavný čínský myslitel Kao předložil „čtyři strany nahoru a dolů řekl Yu, starověký a moderní řekl Zeus“, jednoduchý pohled na prostor a čas. K dnešnímu dni, v popředí fyzikálního výzkumu, prostor a čas jsou stále nejdůležitější a základní dvě dimenze.
Pokud jde o lidské smysly, když se objekt rychle pohybuje, jeho obrazy jsou rozmazané a překrývají se a změny, ke kterým dochází ve velmi krátkém časovém úseku, nelze pozorovat. Je proto důležité, aby vědci vyvinuli přesnější „okna času“ k zachycení nebo zobrazení těchto velmi krátkých okamžiků.
V 19. století se ve fyzice hodně mluvilo a diskutovalo: když kůň běží, opouštějí všechny čtyři nohy současně zem?
Americký podnikatel Leland Stanford se o tuto otázku velmi zajímal. Aby si tuto domněnku ověřil, oslovil slavného fotografa Edvarda Muybridge. V těch dobách se ještě nezrodila funkce videa, kdy doba odezvy spouště fotoaparátu byla 15 sekund, někdy dokonce až minuta.
Koně by nezpomalili, aby se postarali o spoušť fotoaparátu, a jejich klapající kopyta byla největší překážkou ověření této hypotézy. Edvard Maibridge se tak snadno nevzdal, měl skvělý nápad nejen vylepšit konstrukci závěrky fotoaparátu, ale také umístit na dráhu 12 kamer a mechanismů. Kdykoli se kůň přiblížil ke kameře, mechanismus se spustil a pořídila se fotografie. Nakonec dal dohromady těch 12 fotek, což je celý proces běhu koně.
Při pohledu na spojené fotografie lidé brzy našli odpověď na otázku: když kůň běží, dokáže skutečně zachytit okamžik – jeho čtyři nohy přitom opouštějí zem.
října 2023 Královská švédská akademie věd oznámila, že udělila letošní Nobelovu cenu za fyziku Pierre Agostini, Ferenc Krauss a Anne Lhuillier za jejich „experimentální metodu generování attosekundových světelných pulzů pro studium dynamiky elektrony ve hmotě."
"Nyní můžeme otevřít dveře do světa elektronů. Attosekundová fyzika nám dala příležitost pochopit mechanismy elektronického řízení. Dalším krokem bude jejich využití." Tak říká Eva Olsonová, předsedkyně Nobelovy komise za fyziku.
Když vědci ponořili svou perspektivu do světa elektronů, zjistili, že rychlost změny polohy a energie se pohybuje mezi jednou a několika stovkami attosekund, kde jedna attosekunda je jedna miliardtina sekundy. Technologie attosekundového pulzního světla je nejrychlejším časovým měřítkem, které má lidstvo v současnosti k dispozici, a je jako u pravítka, čím jemnější měřítko pravítka, tím vyšší je přesnost měřitelného.
Yuan Lanfeng, zástupce ředitele odboru komunikace vědy a techniky, School of Humanities and Social Sciences, University of Science and Technology of China, řekl, že attosekundový světelný puls lze chápat jako princip vysokorychlostní kamery a že kamera s rychlou reakční rychlostí je potřebná k zachycení nádherných okamžiků pohybového procesu člověka. Attosekundový světelný puls je "vysokorychlostní kamera" ve výzkumu mikroskopických reakcí.
V minulosti byl časový limit pro laserové pulsy „femtosekundy“, což stačilo k tomu, aby lidé viděli atomy, ale pro elektrony bylo časové rozlišení „femtosekund“ tak hrubé, že podle této stupnice bylo možné získat pouze mozaikový efekt. Koherentní světelné pulsy postupují od femtosekund
Postup koherentních světelných pulzů z femtosekund do attosekund není jen jednoduchým pokrokem v časovém měřítku, ale co je důležitější, zlepšuje schopnost lidí studovat strukturu hmoty od pohybu atomů a molekul až po vnitřek atomů, kde mohou zkoumat pohyb a korelační chování elektronů, což povede k velké revoluci v základním fyzikálním výzkumu.
Co attosekunda přinese obyčejným lidem?
Jednoho dne v roce 1999 Ahmed Xavier, profesor Kalifornského technologického institutu, získal za svůj objev Nobelovu cenu za chemii. Xavierův výzkum v 80. letech 20. století, využívající laserový paprsek k filmování oscilací atomů v přechodovém stavu, pomohl vědcům pozorovat atomy a molekuly v procesu chemických reakcí ve „pomalém pohybu“, a tak studovat povahu a strukturu přechodový stav. Z tohoto důvodu je Xavier také známý jako „otec femtosekundové chemie“.
Od té doby vědci přišli na to, že lasery, stejně jako blesky, dokážou zachytit tyto prchavé okamžiky. Tento objev poskytl teoretický základ pro řadu převratných studií.
Dnes byla rychlost tohoto laseru tisíckrát zvýšena, čímž byla úspěšně realizována drastická změna z femtosekund na attosekundy.
Když se v dnešní době řekne femtosekundový laser, často si vybaví mnoho aplikací, které představuje operace krátkozrakosti femtosekundovým laserem. A pokud jde o attosekundový laser, zdá se obtížné spojit tento pojem s produktivním životem obyčejných lidí.
Yuan Lanfeng upřímně řekl: "Vteřinový laser se v současné době příliš nepoužívá, jeho aplikace právě začala a stále je uvízlý v základním výzkumu." To však neznamená, že attosekundový světelný puls nemá žádný aplikační potenciál, „otevírá dveře, ale to, co je za těmito dveřmi, nás ještě potřebuje prozkoumat do hloubky“. Řekl.
Tak co je za těmi dveřmi?
Pulzní ablační systém vyfotografován na stánku Medtronic v sekci Medical Devices and Healthcare na 6. veletrhu dne 5. listopadu 2023
„Pohyb elektronů je zodpovědný za generování světla a také za vznik a štěpení chemických vazeb, které mění strukturu biomolekul a jejich funkci v živých systémech, a za co nejrychlejší zpracování informací...... Dnes používáme Attosekundové světelné pulzy, abychom lépe porozuměli mikroskopickým procesům zahrnujícím elektrony, atomy a molekuly a zjistili, jak ovlivňují makroskopický svět." Dříve, poté, co vyhrál Wolfovu cenu za fyziku, Ferenc Krauss uvedl hodnotu aplikací attosekundové fyziky tímto způsobem.
Eva Olsonová na druhou stranu řekla, že attosekundová fyzika nám dává příležitost porozumět mechanismům elektronického řízení, čímž připravuje půdu pro potenciální aplikace v elektronickém informačním průmyslu a medicíně.
Wei Zhiyi, výzkumník z Fyzikálního ústavu Čínské akademie věd, věří, že technologii lze kombinovat se supravodivostí, nanomateriály, fotovoltaickým průmyslem, farmacií, laserovou medicínou a dalšími obory, aby se podpořilo hlubší pochopení struktury. hmoty lidstvem, což povede k relevantním revolučním pokrokům.
Nepochybně, ačkoli je současná aplikace attosekundové fyziky stále vzdálená představivosti některých lidí, má extrémně širokou škálu aplikačních scénářů.
Poskytuje lidstvu pár „inteligentních očí“ ke studiu mikroskopického světa.
S jeho podporou již mnoho mikroskopických procesů nebude vyžadovat potvrzení „nepřímých důkazů“, ale lze je přímo pozorovat: attosekundový laser lze použít k fotografování různých vysokorychlostních pohybových procesů, jako jsou chemické reakce, molekulární pohyb a pohyb v atomovém měřítku.
Fotografování chemických reakcí pomocí attosekundových laserů může vědcům pomoci lépe porozumět reakčním mechanismům a dále zlepšit chemické procesy. Fotografování pohybů molekul a atomů pomocí attosekundových laserů může odhalit jejich interakce a kinetické procesy, které jsou důležité pro výzkum v materiálové vědě a biovědě.
V oblasti biomedicíny se například očekává, že zobrazovací technologie attosekundových pulzů s vysokým rozlišením zlepší včasnou diagnostiku a léčbu nemocí a poskytne nové průlomy pro studium rakoviny, neurologických onemocnění a dalších hlavních lékařských výzev.
Je zřejmé, že tým Ference Krausse se také pokouší použít femtosekundové a attosekundové techniky k analýze krevních vzorků a detekci malých změn v nich. Analyzují, zda jsou tyto změny dostatečně specifické, aby bylo možné jednoznačně diagnostikovat onemocnění v počáteční fázi onemocnění, tato technologie může mít významný dopad na studium rakoviny a dalších obtížných onemocnění.
Zrychlení "attosekundové éry"?
V roce 2021 časopis Science zveřejnil „125 nejmodernějších vědeckých problémů světa“, z nichž více než 10 musí vyřešit ultrarychlá věda. Očekává se, že vznik attosekundových pulzů povede k originálnějším inovacím v několika oblastech vědeckého a aplikovaného výzkumu.
Attosekundový laser není dar přírody, ale zázrak vytvořený člověkem.
Francouzská fyzička Anne Lhuillier byla první, kdo objevil nástroje k otevření světa attosekund. v roce 1987 prováděla experimenty s ionizací plynu, vlnová délka 1064 nanometrů laserového světla na argon a několik dalších vzácných plynů, plyn se zdál mít jinou barvu než předchozí experimenty.
Poté publikovala klíčovou práci, která objevila fenomén vysokých harmonických generovaných silným laserovým ozařováním vzácných plynů, a získala typickou spektrální strukturu vysokých harmonických, jejíž spektrální šířka byla schopna podporovat pulsy v řádu attosekund, což poskytuje předpoklady pro průlom laserových pulsů na attosekundy. Od té doby se její výzkumná kariéra a attosekundové lasery úzce propojily a o 16 let později vedla tým výzkumníků k vytvoření světového rekordu pro nejkratší laserový puls 170 attosekund.
Dva další vědci, kteří spolu s ní získali Nobelovu cenu za fyziku, také přidali k „attosekundové budově“: Maďar Ferenc Kraus vedl tým výzkumníků, kteří v roce 2001 vytvořili a změřili první attosekundový světelný puls a použili jej k zachycení pohyb elektronů uvnitř atomů, označující zrod attosekundové fyziky. Jeho týmu se navíc podařilo izolovat pulsy trvající 650 attosekund, což je poprvé, kdy vědci úspěšně sledovali oddělování elektronů od atomů. Francouz Pierre Agostini, lídr v interakci silných laserů s atomy, a jeho tým byli průkopníky attosekundové fyziky tím, že poprvé generovali a změřili attosekundové světelné pulzy a použili je k zachycení pohybu elektronů uvnitř atomů.
Dnes více vědců soutěží o první místo v oboru v mnoha částech světa.
V laboratoři jsou plodné výsledky časté: v roce 2022 výzkumníci z University of Michigan a University of Regensburg v Německu spolupracovali na zachycení pohybu elektronů během několika set attosekund, což je dosud nejvyšší rychlost.
Ve stejném roce tým výzkumníků z Centra pokročilé fotoniky na RIKEN Institute of Science and Chemistry v Japonsku a Tokijské univerzitě spolupracoval na vývoji nového typu interferometru pro řešení proužků vznikajících v důsledku optické interference pocházející z attosekundových pulzů. a kvantová interference s elektronickými stavy ve hmotě. Prokázali proveditelnost schématu interferometru postgenerativním štěpením vysoce harmonických pulzů pomocí experimentů se vzorky atomů helia.
Kromě toho začala mezinárodní výstavba a soutěž o zařízení s attosekundovým laserem. Evropská unie, obhajovaná nositelem Nobelovy ceny za fyziku Gérardem Mourou a dalšími, převzala v Maďarsku vůdčí roli ve výstavbě Evropského zařízení pro extrémní světlo – Altosekundový zdroj světla (ELI-ALPS) a podpořila výstavbu mezinárodně uznávaných společností, jako je např. jako Fastlite, Active Fiber a Light Conversion. Společnosti zabývající se laserovými technologiemi, jako jsou Fastlite, Active Fiber, Light Conversion a další mezinárodně uznávané iterace a modernizace produktů, budou tyto laserové technologie nové generace hrát důležitou roli v pokročilé výrobě, národní obranné vědě a technologii a dalších oblastech.
V Číně provádějí příslušné vědecko-výzkumné jednotky ve velkém měřítku výstavbu infrastruktury attosekundových světelných zdrojů, jako je Fyzikální ústav Čínské akademie věd a Laboratoř materiálů jezera Songshan v Dongguan, provincie Guangdong, jezero Songshan za účelem vybudování attosecond science center. Rozumí se, že po dokončení tohoto centra se očekává dosažení mezinárodních předstihových komplexních ukazatelů.
