Tegorocznymi laureatami Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki zostali Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huiller. Kapituła wyróżniła ich za eksperymenty generujące attosekundowe impulsy światła do badania dynamiki elektronów w materii. - Mówiąc w skrócie nagrodzono dziś walkę z falową naturą światła. Wiemy, że światło jest falą, która kojarzy nam się z czymś, co rozchodzi się, gdzieś się zaczyna i gdzieś kończy, ale przy tym trwa - powiedział dr hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański, prof. ucz. w Instytucie Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Warszawskiego.
Fizyka była pierwszą z dyscyplin, którą Alfred Nobel wymienił w swoim testamencie. Zdaniem wielu specjalistów potwierdza to jej ówczesny status – najważniejszej dyscypliny naukowej. Nagroda w tej dziedzinie jest przyznawana od początku trwania konkursu, czyli od 1901 roku. Pierwszym jej laureatem został Wilhelm Conrad Röntgen za odkrycie promieni X, które obecnie stanowią jedno z głównych narzędzi diagnostycznych w medycynie.
W tym roku Nagrodę Noble w dziedzinie fizyki otrzymali: Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier. Laureaci stworzyli błyski światła, które są wystarczająco krótkie, aby uchwycić niezwykle szybkie ruchy elektronów. L'Huillier odkryła nowy efekt interakcji światła lasera z atomami gazu. Z kolei Agostini i Krausz wykazali, że efekt ten można wykorzystać do wytworzenia krótszych impulsów światła, niż było to wcześniej możliwe.
Ruchy elektronów w atomach i cząsteczkach są tak szybkie, że mierzy się je w attosekundach. Attosekunda jest równa jednej trylionowej części sekundy i "ma się do jednej sekundy tak, jak jedna sekunda do wieku Wszechświata". Teraz, gdy za pomocą laureatów świat attosekundowy stał się dostępny, te krótkie błyski światła można wykorzystać do badania ruchów elektronów. Obecnie możliwe jest wytwarzanie impulsów o długości zaledwie kilkudziesięciu attosekund, a technologia ta cały czas się rozwija.
Impulsy te wykorzystywane są badania atomów i cząsteczek i mają potencjalne zastosowania w różnorakich dziedzinach, od elektroniki po medycynę. Impulsy attosekundowe można również wykorzystać do identyfikacji różnych cząsteczek, na przykład w diagnostyce medycznej.
- Mówiąc w skrócie: nagrodzono dziś walkę z falową naturą światła. Wiemy, że światło jest falą, która kojarzy nam się z czymś, co rozchodzi się, gdzieś się zaczyna i gdzieś kończy, ale przy tym trwa. Dzisiejsza Nagroda Nobla została przyznana za osiągnięcie jak najkrótszego impulsu, czyli za to, by fala mimo skrócenia wciąż zachowywała swoje właściwości i aby możliwe było wytworzenie jak najkrótszego impulsu światła, czyli właśnie impulsu attosekundowego. Attosekunda ma wartość 10-18 sekundy, czyli to miliardowa miliardowej części sekundy. Impulsy nie są długości jednej attosekundy, tylko kilkudziesięciu, stu lub nawet kilkuset. Niemniej są to attosekundy a nie, już trochę nudne dla fizyków, femtosekundy – powiedział podczas spotkania informacyjnego Tygodnia Noblowskiego w Centrum Współpracy i Dialogu Uniwersytetu Warszawskiego dr hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański, prof. ucz. w Instytucie Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Warszawskiego.
Naukowiec przypomniał, że w 2018 roku Nagrodę Nobla z fizyki przyznano za opracowanie dostatecznie mocnych laserów femtosekundowych do badań procesów zachodzących w reakcjach chemicznych (więcej na ten temat w tekście: Prof. Gawlik: używamy narzędzi ze światła, takich jak stworzone przez noblistów). - W pewnym sensie dzisiejsza Nagroda jest więc jej kontynuacją – dodał Demkowicz-Dobrzański.
- Doświadczalnicy kochają używać światła do badania materii. Wszystkie procesy, które w nas zachodzą, mają skalę czasową. Przyjmując, że światło w ciągu nanosekundy pokonuje 30 cm, to jeśli chcemy badać np. procesy molekularne we krwi i sprawdzić, czy coś się wiąże w materiale biologicznym, musimy pamiętać, że te reakcje chemiczne przebiegają bardzo szybko i chcąc je dokładnie analizować, potrzebujemy próbników. Innym przykładem, którym możemy się posłużyć, jest woda, która ma określone spektrum drgań. I teraz, dzięki nagrodzonym eksperymentom, możemy obserwować w bardzo krótkim czasie, co się z nią dzieje i jakie transformacje w niej zachodzą. Ale nie tak jak wcześniej, gdy patrzyliśmy na wymieszany płyn w zlewce, tylko możemy już obserwować to online, tak jak to zresztą było w prezentacji Nagrody Nobla – przyznał prof. dr hab. Andrzej Wysmołek z Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW.
- Potrzebujemy próbnika, który pozwoli nam badać procesy w coraz krótszym czasie. Przy tak krótkich impulsach światła możemy wzbudzić ośrodek z izolatora na bardzo krótki czas i zrobić coś, co zawiera swobodne nośniki, czyli może przenosić informację. Zupełnie jak w tranzystorze możemy regulować przepływem ładunków. Z punktu widzenia eksperymentalnego chodzi po prostu o sondę. Schodzimy więc do coraz krótszych czasów w badaniach różnych procesów. Odpowiedź na pytanie, gdzie jeszcze może być to wykorzystane, zależna jest od czasu i pomysłowości eksperymentatorów - dodał Wysmołek.
- Nagrodzone eksperymenty mogą być wykorzystywane do celów biologicznych. Na przykład, gdy pobiera się 100 próbek biologicznych w trakcie wiązania np. białka z enzymem, które jest niesłychanie szybkim procesem. Idea była taka, żeby przygotować 100 takich próbek i niezwykle krótkim impulsem oświetlić je. Oczywiście próbka wyparowuje, ale w trakcie przechodzenia widzimy, jaki jest stan tego wiązania. Robiąc 100 lub 200 takich próbek, możemy złożyć film szybkości wiązania biologicznego pokazujący stan próbek przed wiązaniem, w trakcie wiązania i po wiązaniu. Jeżeli weźmiemy jedną attosekundę, to światło przelatuje trzy angstremy, czyli mniej więcej odległość elektronów w atomach. Więc mamy już możliwość zobaczenia bezpośredniego „położenia elektronów”. Możemy zajrzeć do atomów w taki sposób, że elektrony nie zdążą się przesunąć, nie zdążą obiec jądra, a już się impuls kończy. Więc będziemy wiedzieli, że to jest ten moment, w którym ten elektron, w klasycznym rozumieniu, jest w danym położeniu -ocenił prof. dr hab. Krzysztof A. Meissner z Instytutu Fizyki Teoretycznej UW.
- To tysiąc razy krótszy okres niż długość fali z reflektorów. To, co widzimy, jest do 10-15 sekundy, a w przypadku attosekundy tu mówimy o tysiąc razy krótszym czasie, czyli tysiąc razy mniejszej długości. Tu już wchodzimy w wewnątrzatomowy opis, dzięki temu, że mamy tak krótkie impulsy. Mamy możliwość zajrzenia do wnętrza atomu i wygaszenia światła. Oświetlenia go na chwilę, by elektron nie zdążył przesunąć się, a następnie wyłączamy światło i patrzymy. Nie nakłada nam się wielokrotnie obraz, co miałoby miejsce przy oświetleniu widzialnym, kiedy widzimy poziomy energetyczne, ale to nie jest czasowo rozdzielone – wyjaśnił prof. Meissner.
Źródło: CWiD UW, fot. Pixabay
