Tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki została przyznana Pierre’owi Agostiniemu, Ferencowi Krauszowi i Anne L’Huillier „za metody eksperymentalne generujące attosekundowe impulsy światła do badania dynamiki elektronów w materii”.
Wczoraj rozpoczął się Tydzień Noblowski tradycyjnie od przyznania Nagrody Nobla z medycyny i fizjologii, którą otrzymali Katalin Karikó i Drew Weissman „za odkrycia dotyczące modyfikacji zasad azotowych nukleozydów, które umożliwiły opracowanie skutecznych szczepionek mRNA przeciwko COVID-19” (więcej na ten temat w tekście: Poznaliśmy laureatów Nagrody Nobla 2023 z medycyny i fizjologii). Dziś poznamy laureatów z fizyki, a w środę dowiemy się, kto został uhonorowany Nagrodą z chemii. W czwartek Akademia Szwedzka ogłosi nazwisko laureata literackiej Nagrody Nobla, a w piątek Norweski Komitet Noblowski poinformuje o przyznaniu Pokojowej Nagrody Nobla. W następny poniedziałek poznamy laureata lub laureatów tzw. ekonomicznego Nobla, jedynej nagrody, której w swoim testamencie nie wymienił fundator nagrody Alfred Nobel. Nagrodę przyznaje Centralny Bank Szwecji.
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.
Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki zostali wyróżnieni za swoje eksperymenty, które zapewniły ludzkości nowe narzędzia do badania świata elektronów wewnątrz atomów i cząsteczek. Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier pokazali, jak wytworzyć niezwykle krótkie impulsy światła, które można wykorzystać do pomiaru szybkich procesów, w których elektrony poruszają się lub zmieniają energię.
Szybko zmieniające się zdarzenia nakładają się na siebie, tak je postrzegamy. Jeśli chcemy badać naprawdę krótkie zdarzenia, potrzebujemy specjalnej technologii. W świecie elektronów zmiany zachodzą w ciągu kilku dziesiątych attosekundy.
W prowadzonych przez laureatów eksperymentach udało się wygenerowano impulsy światła tak krótkie, że można je mierzyć w attosekundach. Co więcej, impulsy te można wykorzystać do uzyskania obrazów procesów zachodzących wewnątrz atomów i cząsteczek.
W 1987 roku Anne L’Huillier odkryła, że podczas przepuszczania światła lasera podczerwonego przez gaz szlachetny powstało wiele różnych odcieni światła. Zjawisko to było spowodowane interakcją światła lasera z atomami gazu. Daje ono niektórym elektronom dodatkową energię, która jest następnie emitowana w postaci światła. L’Huillier badała to zjawisko, kładąc podwaliny pod kolejne przełomy.
W 2001 roku Pierre'owi Agostini udało się wytworzyć i zbadać serię kolejnych impulsów świetlnych, z których każdy trwał zaledwie 250 attosekund. W tym samym czasie Ferenc Krausz pracował nad innym typem eksperymentu, pozwalającym wyizolować pojedynczy impuls świetlny trwający 650 attosekund.
Wkład laureatów umożliwił badanie procesów, które są tak szybkie, że wcześniej niemożliwe było ich śledzenie. - Możemy teraz otworzyć drzwi do świata elektronów. Fizyka attosekundowa daje nam możliwość zrozumienia mechanizmów, którymi rządzą elektrony. Następnym krokiem będzie ich wykorzystanie – powiedziała Eva Olsson z Komitetu Noblowskiego.
Osiągnięcia laureatów mają potencjalne zastosowania na wielu różnych obszarach. Na przykład w elektronice ważne jest zrozumienie i kontrolowanie zachowania elektronów w materiale. Impulsy attosekundowe można również wykorzystać do identyfikacji różnych cząsteczek, na przykład w diagnostyce medycznej.
W ubiegłym roku Nobla z fizyki otrzymali Alain Aspect, John Clauser i Anton Zeilinger „za eksperymenty ze splątanymi fotonami, ustanawiające naruszenie nierówności Bella i pionierską informatykę kwantową”. Uczeni przeprowadzili przełomowe eksperymenty z wykorzystaniem splątanych stanów kwantowych, w których dwie cząstki zachowują się jak pojedyncza, nawet gdy są rozdzielone. Wyniki ich prac utorowały drogę dla nowej technologii opartej na informacji kwantowej.
Efekty mechaniki kwantowej zaczynają znajdować zastosowanie. Obecnie istnieje duża dziedzina badań obejmująca komputery kwantowe, sieci kwantowe i bezpieczną, szyfrowaną komunikację kwantową.
Jednym z kluczowych czynników w tym rozwoju jest sposób, w jaki mechanika kwantowa pozwala dwóm lub większej liczbie cząstek istnieć w tak zwanym stanie splątanym. To, co dzieje się z jedną z cząstek w splątanej parze, decyduje o tym, co dzieje się z drugą cząstką, nawet jeśli są od siebie oddalone.
Przez długi czas pytanie brzmiało, czy korelacja wynika z tego, że cząstki w splątanej parze zawierają ukryte zmienne, instrukcje, które mówią im, jaki wynik mają dać w eksperymencie. W latach 60. John Stewart Bell rozwinął matematyczną nierówność, którą nazwano jego imieniem. Oznacza to, że jeśli istnieją ukryte zmienne, korelacja między wynikami dużej liczby pomiarów nigdy nie przekroczy pewnej wartości. Jednak mechanika kwantowa przewiduje, że pewien rodzaj eksperymentu naruszy nierówność Bella, powodując w ten sposób silniejszą korelację, niż byłaby możliwa w innym przypadku.
John Clauser rozwinął pomysły Johna Bella, prowadząc do praktycznego eksperymentu. Kiedy wykonał pomiary, wspierały one mechanikę kwantową, wyraźnie naruszając nierówność Bella. Oznacza to, że mechaniki kwantowej nie można zastąpić teorią wykorzystującą ukryte zmienne.
Po eksperymencie Johna Clausera pozostały pewne luki. Alain Aspect opracował konfigurację, wykorzystując ją w sposób, który zamknął ważną lukę. Był w stanie przełączyć ustawienia pomiaru po tym, jak splątana para opuściła swoje źródło, więc ustawienie, które istniało, gdy były emitowane, nie mogło wpłynąć na wynik.
Korzystając z udoskonalonych narzędzi i długich serii eksperymentów Anton Zeilinger zaczął wykorzystywać splątane stany kwantowe. Jego grupa badawcza wykazała między innymi zjawisko zwane teleportacją kwantową, które umożliwia przenoszenie stanu kwantowego z jednej cząstki na drugą na odległość.
Więcej na temat ubiegłorocznej nagrody można przeczytać w tekście: Nobel z fizyki. Nagroda za „eksperymenty, które wbijają gwóźdź do trumny klasycznej wizji świata”.
Regulamin Nagrody Nobla mówi, że można nią uhonorować maksymalnie trzy osoby. W ostatnim czasie Fundacja Noblowska podwyższyła wysokość nagrody do 11 milionów koron szwedzkich. To w przeliczeniu daje niecały miliony euro. Laureaci otrzymają także medal oraz dyplom.
Do tej pory przyznano 116 Nagród Nobla z fizyki. Wyróżnienie to przyznawane jest od 1901 roku. Otrzymało je łącznie 221 naukowców. Wśród nich były tylko cztery kobiety, a jedna z nich to Maria Curie-Skłodowska, która oprócz Nobla z fizyki otrzymała także Nobla z chemii. Jako jedyny dwukrotnie Nagrodę Nobla z fizyki otrzymał John Bardeen. Pierwsze wyróżnienie otrzymał w 1956 roku za badania nad półprzewodnikami i opracowanie tranzystora. Drugi raz nagrodzony został w 1972 r. za "sformułowanie teorii nadprzewodnictwa".
Do tej pory najmłodszym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki jest Lawrence Bragg, który miał 25 lat, kiedy w 1915 roku wraz z ojcem otrzymał nagrodę Nobla. Panowie wyróżnieni zostali za wkład w badanie struktury krystalicznej za pomocą promieniowania rentgenowskiego.
Z kolei najstarszym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki jest Raymond Davis Jr., który miał 88 lat, kiedy otrzymał nagrodę Nobla w 2002 roku. Nagrodzono jego prace nad detekcją neutrin.
Źródło: nobelprize.org, fot. David Monniaux / Wikimedia Commons/ CC BY-SA 2.0
