I en skelsættende bekendtgørelse om aftenen den 3. oktober 2023 blev Nobelprisen i fysik for året 2023 afsløret, som anerkendelse af de enestående bidrag fra tre videnskabsmænd, der har spillet centrale roller som pionerer inden for attosekundlaserteknologi.

Udtrykket "attosekundlaser" har fået sit navn fra den utroligt korte tidsskala, den opererer på, nærmere bestemt i størrelsesordenen attosekunder, svarende til 10^-18 sekunder. For at forstå den dybe betydning af denne teknologi er en grundlæggende forståelse af, hvad et attosekund betyder, altafgørende. Et attosekund står som en yderst minut tidsenhed, der udgør en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund inden for den bredere kontekst af et enkelt sekund. For at sætte dette i perspektiv, hvis vi skulle sammenligne et sekund med et tårnhøjt bjerg, ville et attosekund være som et enkelt sandkorn, der ligger ved bjergets fod. I dette flygtige tidsinterval kan selv lys knap tilbagelægge en afstand svarende til størrelsen af ​​et enkelt atom. Ved at bruge attosekundlasere får forskere den hidtil usete evne til at granske og manipulere elektronernes indviklede dynamik i atomstrukturer, svarende til en frame-by-frame slowmotion-gengivelse i en filmisk sekvens, og derved dykke ned i deres samspil.

Attosekundlasererepræsenterer kulminationen af ​​omfattende forskning og samordnet indsats fra forskere, der har udnyttet principperne for ikke-lineær optik til at fremstille ultrahurtige lasere. Deres fremkomst har givet os et innovativt udsigtspunkt til observation og udforskning af de dynamiske processer, der finder sted i atomer, molekyler og endda elektroner i faste materialer.

For at belyse attosekundlasernes natur og værdsætte deres ukonventionelle egenskaber i sammenligning med konventionelle lasere, er det bydende nødvendigt at undersøge deres kategorisering inden for den bredere "laserfamilie". Klassificering efter bølgelængde placerer attosekundlasere overvejende inden for området fra ultraviolette til bløde røntgenfrekvenser, hvilket betyder deres markant kortere bølgelængder i modsætning til konventionelle lasere. Med hensyn til outputtilstande falder attosekundlasere ind under kategorien pulserede lasere, der er karakteriseret ved deres overordentlig korte pulsvarigheder. For at drage en analogi for klarhedens skyld kan man forestille sig kontinuerlige bølgelasere som en lommelygte, der udsender en kontinuerlig lysstråle, mens pulserede lasere ligner et strobelys, der hurtigt skifter mellem perioder med lys og mørke. I bund og grund udviser attosekundlasere en pulserende adfærd i lys og mørke, men deres overgang mellem de to tilstande sker med en forbløffende frekvens og når attosekundernes grænser.

Yderligere kategorisering efter effekt placerer lasere i laveffekt, mellemeffekt og højeffekt. Attosekundlasere opnår høj peakeffekt på grund af deres ekstremt korte pulsvarigheder, hvilket resulterer i en udtalt peakeffekt (P) – defineret som energiintensiteten pr. tidsenhed (P=W/t). Selvom individuelle attosekundlaserpulser muligvis ikke besidder usædvanligt stor energi (W), giver deres forkortede tidsmæssige udstrækning (t) dem forhøjet peakeffekt.

Med hensyn til anvendelsesområder spænder lasere over et spektrum, der omfatter industrielle, medicinske og videnskabelige anvendelser. Attosekundlasere finder primært deres niche inden for videnskabelig forskning, især i udforskningen af ​​hurtigt udviklende fænomener inden for fysik og kemi, og tilbyder et vindue ind i den mikrokosmiske verdens hurtige dynamiske processer.

Kategorisering efter lasermedium afgrænser lasere som gaslasere, faststoflasere, flydende lasere og halvlederlasere. Genereringen af ​​attosekundlasere afhænger typisk af gaslasermedier, der udnytter ikke-lineære optiske effekter til at frembringe harmoniske af høj orden.

Kort sagt udgør attosekundlasere en unik klasse af kortpulslasere, der kendetegnes ved deres ekstraordinært korte pulsvarigheder, typisk målt i attosekunder. Som et resultat er de blevet uundværlige værktøjer til at observere og kontrollere elektronernes ultrahurtige dynamiske processer i atomer, molekyler og faste materialer.

Den udførlige proces med attosekund lasergenerering

Attosekundlaserteknologi står i spidsen for videnskabelig innovation og kan prale af et spændende og strengt sæt betingelser for dens generering. For at belyse de indviklede aspekter af attosekundlasergenerering begynder vi med en kortfattet redegørelse for de underliggende principper, efterfulgt af levende metaforer afledt af hverdagserfaringer. Læsere, der ikke er bekendt med den relevante fysiks indviklede elementer, behøver ikke fortvivle, da de efterfølgende metaforer har til formål at gøre den grundlæggende fysik bag attosekundlasere tilgængelig.

Genereringsprocessen for attosekundlasere er primært baseret på den teknik, der kaldes High Harmonic Generation (HHG). For det første fokuseres en stråle af højintensitets femtosekundlaserpulser (10^-15 sekunder) tæt på et gasformigt målmateriale. Det er værd at bemærke, at femtosekundlasere, i lighed med attosekundlasere, deler de samme egenskaber som attosekundlasere, der besidder korte pulsvarigheder og høj peakeffekt. Under påvirkning af det intense laserfelt frigøres elektroner i gasatomerne momentant fra deres atomkerner og går forbigående ind i en tilstand med frie elektroner. Når disse elektroner oscillerer som reaktion på laserfeltet, vender de til sidst tilbage til og rekombineres med deres oprindelige atomkerner, hvilket skaber nye højenergitilstande.

Under denne proces bevæger elektroner sig med ekstremt høje hastigheder, og ved rekombination med atomkernerne frigiver de yderligere energi i form af høje harmoniske emissioner, der manifesterer sig som højenergiske fotoner.

Frekvenserne af disse nygenererede højenergifotoner er heltalsmultipla af den oprindelige laserfrekvens, hvilket danner det, der kaldes højordens harmoniske, hvor "harmoniske" betegner frekvenser, der er heltalsmultipla af den oprindelige frekvens. For at opnå attosekundlasere bliver det nødvendigt at filtrere og fokusere disse højordens harmoniske, udvælge specifikke harmoniske og koncentrere dem i et fokuspunkt. Om ønsket kan pulskompressionsteknikker yderligere forkorte pulsvarigheden, hvilket giver ultrakorte pulser i attosekundområdet. Genereringen af ​​attosekundlasere er tydeligvis en sofistikeret og mangesidet proces, der kræver en høj grad af teknisk kunnen og specialiseret udstyr.

For at afmystificere denne indviklede proces tilbyder vi en metaforisk parallel baseret på hverdagsscenarier:

Højintensitets femtosekund laserpulser:

Forestil dig at have en usædvanligt potent katapult, der er i stand til øjeblikkeligt at kaste sten med kolossale hastigheder, svarende til den rolle, som højintensive femtosekund laserpulser spiller.

Gasformigt målmateriale:

Forestil dig en rolig vandmasse, der symboliserer det gasformige målmateriale, hvor hver dråbe vand repræsenterer utallige gasatomer. Handlingen med at drive sten ned i denne vandmasse afspejler analogt virkningen af ​​højintensitets femtosekundlaserpulser på det gasformige målmateriale.

Elektronbevægelse og rekombination (fysisk betegnet overgang):

Når femtosekundlaserpulser rammer gasatomerne i det gasformige målmateriale, exciteres et betydeligt antal ydre elektroner momentant til en tilstand, hvor de løsriver sig fra deres respektive atomkerner og danner en plasmalignende tilstand. Efterhånden som systemets energi efterfølgende aftager (da laserpulserne i sagens natur er pulserede med intervaller af ophør), vender disse ydre elektroner tilbage til deres nærhed af atomkernerne og frigiver højenergifotoner.

Høj harmonisk generering:

Forestil dig, at hver gang en vanddråbe falder tilbage til søens overflade, skaber den krusninger, ligesom høje harmoniske i attosekundlasere. Disse krusninger har højere frekvenser og amplituder end de oprindelige krusninger forårsaget af den primære femtosekundlaserpuls. Under HHG-processen belyser en kraftig laserstråle, der minder om kontinuerligt at kaste sten, et gasmål, der ligner søens overflade. Dette intense laserfelt driver elektroner i gassen, analogt med krusninger, væk fra deres moderatomer og trækker dem derefter tilbage. Hver gang en elektron vender tilbage til atomet, udsender den en ny laserstråle med en højere frekvens, der minder om mere indviklede krusningsmønstre.

Filtrering og fokusering:

Ved at kombinere alle disse nygenererede laserstråler opnås et spektrum af forskellige farver (frekvenser eller bølgelængder), hvoraf nogle udgør attosekundlaseren. For at isolere specifikke ripplestørrelser og frekvenser kan man bruge et specialiseret filter, svarende til at vælge de ønskede ripples, og bruge et forstørrelsesglas til at fokusere dem på et specifikt område.

Pulskompression (hvis nødvendigt):

Hvis man sigter mod at udbrede krusninger hurtigere og kortere, kan man accelerere deres udbredelse ved hjælp af en specialiseret enhed, hvilket reducerer den tid, hver krusning varer. Genereringen af ​​attosekundlasere involverer et komplekst samspil af processer. Men når det opdeles og visualiseres, bliver det mere forståeligt.