Lumea artelor marțiale, numai rapid.
Uneori, vom pune un timp foarte scurt, descris drept „timpul bătăilor inimii”, iar durata unei bătăi inimii este de la 10 la a 18-a putere a secundei.
Într-un experiment recent similar cu fotografia stop-motion, o echipă de oameni de știință din Statele Unite și Germania a capturat pentru prima dată „cadre înghețate” de electroni care se mișcau în apă lichidă în timp real, iar rezultatele au fost publicate în revista Science.
Experții din juriu explică rezultatele cercetării câștigătorilor Premiului Nobel pentru fizică din 2023 la anunțarea Premiului Nobel pentru fizică din 2023 la Stockholm, Suedia, 3 octombrie 2023
Potrivit experților, rezultatul marchează un avans major în fizica experimentală, oferind o fereastră către structura electronică a moleculelor din lichide la scări de timp inaccesibile anterior cu raze X. Anterior, oamenii de știință erau capabili să rezolve mișcarea electronilor doar pe scara de timp a picosecunde (1 secundă=1 trilioane de picosecunde). Acum, capacitatea de a studia reacțiile electronice ale razelor X care lovesc o țintă pe scara attosecunde le permite cercetătorilor să exploreze reacțiile chimice induse de radiații de un milion de ori mai rapid decât metodele anterioare.
Toate indicii sunt că laserul de attosecundă poate fi cheia pentru deblocarea lumii misterioase a electronicelor.
Ce este o „attosecundă”?
Pentru oamenii obișnuiți, attosecunda este un concept extrem de ciudat.
De fapt, încă din perioada statelor războinice, faimosul gânditor al Chinei, cadavrul Kao a prezentat "patru părți în sus și în jos a spus Yu, antic și modern a spus Zeus," viziunea simplă a spațiului și timpului. Până în prezent, în fruntea cercetării în fizică, spațiul și timpul sunt încă cele mai importante și fundamentale două dimensiuni.
În ceea ce privește simțurile umane, atunci când un obiect se află în mișcare rapidă, imaginile sale sunt neclare și suprapuse, iar schimbările care apar într-o perioadă foarte scurtă de timp nu pot fi observate. Prin urmare, este important ca oamenii de știință să dezvolte „ferestre de timp” mai precise pentru a surprinde sau a descrie aceste momente foarte scurte.
În secolul al XIX-lea, a existat o întrebare mult discutată și dezbătută în fizică: când un cal aleargă, toate cele patru picioare părăsesc pământul în același timp?
Antreprenorul american Leland Stanford a fost foarte interesat de această întrebare. Pentru a verifica această presupunere, a abordat celebrul fotograf Edvard Muybridge. În acele vremuri, funcția video nu se născuse încă, când timpul de răspuns al obturatorului camerei era de 15 secunde, uneori chiar și până la un minut.
Caii nu încetineau pentru a avea grijă de obturatorul camerei, iar copitele lor zgomotătoare au fost cel mai mare obstacol în verificarea acestei ipoteze. Edvard Maibridge nu a renunțat atât de ușor, a avut ideea strălucitoare, nu doar să îmbunătățească designul obturatorului camerei, ci și să plaseze 12 camere și mecanisme pe pistă. Ori de câte ori calul se apropia de cameră, mecanismul era declanșat și se făcea o fotografie. La final, a pus cele 12 fotografii împreună, care este întregul proces al alergării calului.
Privind fotografiile îmbinate, oamenii au găsit în curând răspunsul la întrebarea: atunci când un cal aleargă, într-adevăr poate surprinde un moment - cele patru picioare ale sale părăsesc pământul în același timp.
La 3 octombrie 2023, Academia Regală Suedeză de Științe a anunțat că a acordat Premiul Nobel pentru Fizică din acel an lui Pierre Agostini, Ferenc Krauss și Anne Lhuillier pentru „metoda lor experimentală de generare a impulsurilor de lumină attosecunde pentru studiul dinamicii electroni în materie”.
"Putem deschide acum ușa către lumea electronilor. Fizica attosecundei ne-a oferit oportunitatea de a înțelege mecanismele de control electronic. Următorul pas va fi exploatarea lor". Așa spune Eva Olson, președintele Comitetului Nobel pentru Fizică.
Când oamenii de știință și-au aruncat perspectiva în lumea electronilor, ei au descoperit că rata de schimbare a poziției și a energiei variază între una și câteva sute de attosecunde, unde o attosecundă este o miliardime dintr-o secundă. Tehnologia luminii pulsate attosecunde este cea mai rapidă scară de timp disponibilă în prezent pentru omenire și este ca o riglă, cu cât scara riglei este mai fină, cu atât este mai mare precizia măsurabilului.
Yuan Lanfeng, director adjunct al Departamentului de Comunicare Știință și Tehnologie, Școala de Științe Umaniste și Științe Sociale, Universitatea de Știință și Tehnologie din China, a spus că pulsul de lumină attosecundă poate fi înțeles ca principiul camerei de mare viteză și că un camera cu o viteza de reactie rapida este necesara pentru a surprinde momentele minunate ale procesului de miscare al unei persoane. Pulsul de lumină attosecundă este „camera de mare viteză” în cercetarea reacțiilor microscopice.
În trecut, limita de timp pentru impulsurile laser era „femtosecunde”, ceea ce era suficient pentru ca oamenii să vadă atomii, dar pentru electroni, rezoluția în timp a „femtosecunde” era atât de grosieră încât, conform acestei scale, se putea obține doar o efect asemănător mozaicului. Impulsurile de lumină coerente progresează din femtosecunde
Progresul impulsurilor de lumină coerente de la femtosecunde la attosecunde nu este doar un simplu progres la scara de timp, dar, mai important, avansează capacitatea oamenilor de a studia structura materiei de la mișcarea atomilor și moleculelor până în interiorul atomilor, unde pot. sondați comportamentele de mișcare și corelație ale electronilor, ceea ce va duce la o revoluție majoră în cercetarea fizicii de bază.
Ce va aduce attosecunda oamenilor obișnuiți?
Într-o zi din 1999, Ahmed Xavier, profesor la Institutul de Tehnologie din California, a câștigat Premiul Nobel pentru Chimie pentru descoperirea sa. Cercetările lui Xavier din anii 1980, folosind un fascicul laser pentru a filma oscilațiile atomilor în starea de tranziție, i-au ajutat pe oamenii de știință să observe atomii și moleculele în procesul de reacții chimice în „mișcare lentă” și astfel să studieze natura și structura stare de tranziție. Din acest motiv, Xavier este cunoscut și ca „părintele chimiei femtosecunde”.
De atunci, oamenii de știință au ajuns să realizeze că laserele, precum fulgerele, pot surprinde acele momente trecătoare. Această descoperire a oferit baza teoretică pentru o serie de studii perturbatoare.
Astăzi, viteza acestui laser a fost îmbunătățită de o mie de ori, realizând cu succes schimbarea drastică de la femtosecunde la attosecunde.
În zilele noastre, când oamenii menționează laserul cu femtosecunde, se pot gândi adesea la numeroasele aplicații reprezentate de chirurgia miopiei cu laser cu femtosecundă. Și când vine vorba de laserul attosecunde, pare dificil să conectezi acest termen cu viața productivă a oamenilor obișnuiți.
Yuan Lanfeng a spus sincer: „Laserul de o secundă nu este de mare folos în prezent, aplicarea sa tocmai a început și este încă blocat în cercetarea de bază”. Cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că pulsul de lumină attosecundă nu are potențial de aplicare, „deschide o ușă, dar ceea ce se află în spatele acestei uși încă mai are nevoie de noi să explorăm în profunzime”. El a spus.
Deci, ce se află în spatele ușii?
Sistem de ablație cu câmp pulsat fotografiat la standul Medtronic din secțiunea Dispozitive medicale și îngrijire medicală a celui de-al 6-lea Târg din 5 noiembrie 2023
„Mișcarea electronilor este responsabilă pentru generarea luminii, precum și pentru formarea și ruperea legăturilor chimice care modifică structura biomoleculelor și funcția acestora în sistemele vii și pentru procesarea informațiilor cât mai rapid posibil ...... Astăzi, folosim impulsuri de lumină de attosecundă pentru a înțelege mai bine procesele microscopice care implică electroni, atomi și molecule și pentru a afla cum acestea afectează lumea macroscopică.” Anterior, după ce a câștigat Premiul Wolf în fizică, Ferenc Krauss a afirmat valoarea aplicațiilor fizicii attosecundei în acest fel.
Eva Olson, pe de altă parte, a spus că fizica attosecundei ne oferă posibilitatea de a înțelege mecanismele controlului electronic, deschizând calea pentru potențiale aplicații în industria informațiilor electronice și în medicină.
Wei Zhiyi, cercetător la Institutul de Fizică al Academiei Chineze de Științe, consideră că tehnologia poate fi combinată cu supraconductivitate, nanomateriale, industria fotovoltaică, produse farmaceutice, medicină cu laser și alte domenii pentru a promova o înțelegere mai aprofundată a structurii. de materie de către omenire, ceea ce va duce la progrese revoluţionare relevante.
Fără îndoială, deși aplicația actuală a fizicii attosecundei este încă o distanță de imaginația unora, are o gamă extrem de largă de scenarii de aplicare.
Oferă omenirii o pereche de „ochi inteligenți” pentru a studia lumea microscopică.
Cu sprijinul său, multe procese microscopice nu vor mai necesita „dovezi circumstanțiale” pentru a fi confirmate, dar pot fi observate direct: laserul de attosecundă poate fi folosit pentru a fotografia o varietate de procese de mișcare de mare viteză, cum ar fi reacții chimice, la scară moleculară. mișcarea și mișcarea la scară atomică.
Fotografiarea reacțiilor chimice cu lasere de attosecundă poate ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine mecanismele de reacție și să îmbunătățească în continuare procesele chimice. Fotografiarea mișcărilor moleculelor și atomilor cu lasere de attosecundă poate dezvălui interacțiunile și procesele cinetice ale acestora, care sunt importante pentru cercetarea în știința materialelor și bioștiința.
În domeniul biomedicinei, de exemplu, tehnologia imagistică de înaltă rezoluție a impulsurilor attosecunde este de așteptat să îmbunătățească diagnosticul și tratamentul precoce al bolilor și să ofere noi descoperiri pentru studiul cancerului, bolilor neurologice și a altor provocări medicale majore.
Se înțelege că echipa Ferenc Krauss încearcă, de asemenea, să folosească tehnici de femtosecundă și attosecundă pentru a analiza probe de sânge și a detecta mici modificări ale acestora. Ei analizează dacă aceste modificări sunt suficient de specifice pentru a putea diagnostica clar boala în stadiul inițial al bolii, această tehnologie putând avea un impact semnificativ asupra studiului cancerului și a altor boli dificile.
Accelerația „erei attosecundei”?
În 2021, revista Science a publicat „125 dintre cele mai de ultimă oră probleme științifice din lume”, dintre care peste 10 trebuie rezolvate prin știință ultrarapidă. Apariția impulsurilor de attosecundă este de așteptat să conducă la mai multe inovații originale în mai multe domenii ale cercetării științifice și aplicate.
Laserul de attosecundă, nu un dar al naturii, ci un miracol făcut de om.
Fizicianul francez Anne Lhuillier a fost prima care a descoperit instrumentele pentru a deschide lumea attosecundelor. în 1987, făcea experimente de ionizare a gazului, lungimea de undă de 1064 nanometri de lumină laser în argon și alte câteva gaze rare, gazul părea să fie de o culoare diferită față de experimentele anterioare.
Ea a publicat apoi o lucrare cheie, în care a descoperit fenomenul armonicilor înalte generate de iradierea puternică cu laser a gazelor nobile și a obținut structura spectrală tipică a armonicilor înalte, a cărei lățime spectrală a fost capabilă să suporte impulsuri de ordinul attosecundelor, oferind condițiile prealabile pentru trecerea impulsurilor laser la attosecunde. De atunci, cariera ei de cercetare și laserele attosecunde au fost strâns legate, iar 16 ani mai târziu, ea a condus o echipă de cercetători pentru a stabili un record mondial pentru cel mai scurt puls laser de 170 de attosecunde.
Ceilalți doi oameni de știință care au câștigat Premiul Nobel pentru Fizică împreună cu ea au adăugat și ei la „cladirea attosecundă”: ungurul Ferenc Kraus a condus o echipă de cercetători pentru a crea și măsura primul puls de lumină de attosecundă în 2001 și l-a folosit pentru a captura mișcarea electronilor în interiorul atomilor, marcând nașterea fizicii atosecundei. În plus, echipa sa a reușit să izoleze impulsuri cu o durată de 650 de attosecunde, pentru prima dată când oamenii de știință au urmărit cu succes detașarea electronilor de la atomi. Francezul Pierre Agostini, un lider în interacțiunea laserelor cu câmp puternic cu atomii, și echipa sa au fost pionieri în fizica attosecundei, generând și măsurând pentru prima dată impulsuri de lumină attosecunde și folosindu-le pentru a capta mișcarea electronilor din interiorul atomilor.
Astăzi, mai mulți oameni de știință concurează pentru primul loc în domeniu în multe părți ale lumii.
În laborator, rezultatele fructuoase sunt frecvente: în 2022, cercetătorii de la Universitatea din Michigan și Universitatea din Regensburg din Germania au colaborat pentru a capta mișcarea electronilor în câteva sute de attosecunde, cea mai rapidă viteză de până acum.
În același an, o echipă de cercetători de la Centrul de Fotonică Avansată de la Institutul de Știință și Chimie RIKEN din Japonia și Universitatea din Tokyo au colaborat pentru a dezvolta un nou tip de interferometru pentru a trata franjuri care decurg din interferența optică provenită din impulsurile de attosecundă. și interferența cuantică cu stările electronice din materie. Ei au demonstrat fezabilitatea schemei de interferometru prin divizarea post-generativă a impulsurilor armonice înalte prin experimente folosind mostre de atomi de heliu.
În plus, au început construcția internațională și competiția pentru o instalație cu laser attosecond. Susținută de fizicianul laureat al Premiului Nobel Gérard Mourou și alții, Uniunea Europeană a preluat conducerea în Ungaria în construcția Sursei de lumină de altosecundă (ELI-ALPS) și a promovat construirea de companii de renume internațional precum precum Fastlite, Active Fiber și Light Conversion. Companii de tehnologie laser, cum ar fi Fastlite, Active Fiber, Light Conversion și alte produse de renume internațional și modernizare, aceste tehnologii laser de nouă generație vor juca un rol important în producția avansată, știința și tehnologia apărării naționale și în alte domenii.
În China, unitățile relevante de cercetare științifică realizează construcția de infrastructură a surselor de lumină attosecunde pe scară largă, cum ar fi Institutul de Fizică al Academiei Chineze de Științe și Laboratorul de materiale din Lacul Songshan din Dongguan, provincia Guangdong, Lacul Songshan pentru a construi centru de știință attosecond. Se înțelege că după finalizarea acestui centru este de așteptat să se realizeze indicatori internaționali de conducere cuprinzătoare.
