Nobelova cena za fyziku

Letošní Nobelovu cenu za fyziku obdrželi za vývoj experimentálních metod schopných generovat attosekundové světelné pulzy Pierre Agostini, Perenc Krausz a Anne L’Huillier.

Na základě schopností našeho zraku a mozku dovedeme efektivně vnímat děje, které se stanou v rámci hodin, minut, anebo i mírně pod hranicí sekundy. Přesněji řečeno jsme schopni vnímat cokoliv, co se nestane rychleji než 80 milisekund. Rychlejší děje vnímáme nepřesně/zkresleně a jevy, které proběhnou pod časový interval 10 milisekund bereme jako okamžité. Určení dynamik rychlých procesů je však velmi důležité, protože pomocí nich dovedeme efektivně zkoumat vlastnosti a podstatu těchto jevů. Pro představu, jak rychle mohou některé jevy nastávat můžeme uvést, že blesk proběhne oblohou zase 60 mikrosekund (10-5s). LED přemění dodaný elektrický náboj na světlo v horizontu nanosekund (10-9s), elementární kroky chemických reakcí probíhají na pikosekundovém až nanosekundovém intervalu (10-9 – 10-12s), termalizace excitovaných nosičů probíhá v horizontu desítek femtosekund až pikosekund (10-12 – 10-14s) a elektron potřebuje k oběhu jádra okolo 100 attosekund (10-16s). Lidstvo se pomocí kvalitní elektroniky naučilo monitorovat jevy probíhající řádově do hranice nanosekund. U rychlejších dynamik to tak snadné není. Jedinou efektivní možností jejich popisu jsou laserové techniky excitace a sondování. Ty využívají dvou velmi krátkých vzájemně zpožděných laserových pulzů. První pulz vyvolá změnu vlastností látky (excitace) a druhý tyto změny studuje (sonda). Časový krok dané metody řádově odpovídá časové šířce laserových pulzů. Čím kratší je tedy laserový pulz, tím rychlejší děje můžeme studovat. Právě technická omezení konstrukce laserů až do nedávna neumožňovala připravit pulzy o časové šířce pod řádově 10 femtosekund (10-14s), což určovalo hranici našeho poznání. To se změnilo s objevy Pierra Agostini, Perence Krausz a Anne L’Huillier, kterým se podařilo vytvořit techniku schopnou generovat laserové pulzy o časové šířce desítek attosekund (10-17) a tím o několik řádů posunout časovou hranici dějů, které jsme schopni studovat. Především se jedná o jevy spojené s elementární dynamikou elektronů v látkách. Pro představu, za 30 attosekund oběhne elektron několikrát kolem jádra a světlo urazí 1 nm.

Vysvětlení podstaty generování attosekundových pulzů je dobré rozdělit do dvou částí.

• Nejprve si vysvětlíme, jak se vytváří velmi krátké laserové pulzy. Je k tomu nutné mít soubor vln o různých frekvencích. Obdobně jako u dechového hudebního nástroje, kde můžete generovat nejen základní tón (největší vlnová délka), ale i vyšší tóny, tak v laserovém rezonátoru můžeme generovat světelné vlny o různých frekvencích. Tyto frekvence jsou přesně definované vlastnostmi rezonátoru a liší se o stejnou hodnotu. Jednotlivé vlny nazýváme módy rezonátoru. Pokud jednotlivé módy kmitají se stejnou fází (podmínka zfázování), vytvoří pulz, jehož časová šířka je nepřímo úměrná počtu jednotlivých módů. Čím více módů se nám tedy podaří v rezonátoru vybudit, tím kratší časové pulzy budeme generovat. Této technice se říká módová synchronizace (z angl. Mode-locking) a do nedávna nám umožňovala generovat pulzy na hranici desítek femtosekund.
• To se změnilo studiem jevu nazvaného generace vyšších harmonických frekvencí (z angl. High harmonic generation – HHG). Bylo objeveno, že při excitaci plynů velmi silnými laserovými pulzy dochází ke generaci fotonů o frekvencích, které jsou celistvým násobkem frekvence dopadajícího záření (HHG). Interpretace daného jevu je následující. Silné elektrické pole laserového pulzu je schopno dodat energii elektronu v atomu, který díky tomu nejen prostřednictvím kvantového tunelování atom opouští, ale je i dále urychlován, dokud sinový průběh elektrického pole pulzu nepřejde do opačné fáze. Tím se změní orientace elektrické síly působící na elektron, což způsobí jeho opětovné vrácení do původního iontu. Elektron následně rekombinuje za současného vyzáření velkého množství energie, které během tohoto krátkého děje přijal od elektrického pole laserového pulzu. Frekvence takto vyzářeného světla je celistvým násobkem frekvence laseru. Touto metodou je tedy možno vytvořit světlo o přesně definovaném a velmi širokém frekvenčním intervalu, které je následně zdrojem attosekundových pulzů (díky módové synchronizaci).