Cīņas mākslas pasaule, tikai ātri.
Dažreiz mēs norādīsim ļoti īsu laiku, ko raksturo kā “sirdspukstu laiku”, un sirdsdarbības ilgums ir no 10 līdz 18. sekundes pakāpēm.
Nesenā eksperimentā, kas līdzīgs stop-motion fotografēšanai, ASV un Vācijas zinātnieku komanda pirmo reizi fiksēja elektronu "iesaldēšanas kadrus", kas reāllaikā pārvietojas šķidrā ūdenī, un rezultāti tika publicēti žurnālā Science.
Žūrijas eksperti skaidro 2023. gada Nobela prēmijas fizikā laureātu pētījumu rezultātus 2023. gada Nobela prēmijas fizikā pasludināšanā Stokholmā, Zviedrijā, 2023. gada 3. oktobrī
Pēc ekspertu domām, rezultāts iezīmē lielu progresu eksperimentālajā fizikā, nodrošinot logu uz molekulu elektronisko struktūru šķidrumos tādā laika skalā, kas iepriekš nebija sasniedzams ar rentgena stariem. Iepriekš zinātnieki spēja noteikt elektronu kustību tikai pikosekundes (1 sekunde=1 triljoni pikosekundes) laika skalā. Tagad spēja pētīt elektroniskās reakcijas, ko rada rentgena stari, kas trāpa mērķī attosekundes skalā, ļauj pētniekiem iedziļināties radiācijas izraisītajās ķīmiskajās reakcijās miljons reižu ātrāk nekā iepriekšējās metodes.
Visas pazīmes liecina, ka attosekundes lāzers var būt atslēga noslēpumainās elektronikas pasaules atrašanai.
Kas ir "attosekunde"?
Parastajiem cilvēkiem attosekunde ir ārkārtīgi dīvains jēdziens.
Faktiski jau karojošo valstu periodā Ķīnas slavenais domātājs, līķis Kao izvirzīja "četras puses uz augšu un uz leju, teica Yu, seno un mūsdienu teica Zevs," vienkāršs telpas un laika skatījums. Līdz šai dienai fizikas pētījumu priekšgalā telpa un laiks joprojām ir vissvarīgākās un svarīgākās divas dimensijas.
Kas attiecas uz cilvēka maņām, objektam strauji kustoties, tā attēli ir izplūduši un pārklājas, un izmaiņas, kas notiek ļoti īsā laika periodā, nav novērojamas. Tāpēc ir svarīgi, lai zinātnieki izstrādātu precīzākus "laika logus", lai iemūžinātu vai attēlotu šos ļoti īsos mirkļus.
19. gadsimtā fizikā bija daudz apspriests un apspriests jautājums: vai zirgam skrienot visas četras kājas vienlaikus atstāj zemi?
Amerikāņu uzņēmējs Lelands Stenfords bija ļoti ieinteresēts šajā jautājumā. Lai pārbaudītu šo pieņēmumu, viņš vērsās pie slavenā fotogrāfa Edvarda Muibridža. Tajos laikos video funkcija vēl nebija dzimusi, kad kameras slēdža reakcijas laiks bija 15 sekundes, dažkārt pat līdz minūtei.
Zirgi nesamazināja ātrumu, lai rūpētos par kameras aizvaru, un viņu klabošie nagi bija lielākais šķērslis šīs hipotēzes pārbaudei. Edvards Meibridžs tik viegli nepadevās, viņam radās spilgta doma ne tikai uzlabot kameras slēģu dizainu, bet arī novietot uz skrejceļa 12 kameras un mehānismus. Ikreiz, kad zirgs tuvojās kamerai, mehānisms tika iedarbināts un tika uzņemts fotoattēls. Beigās viņš salika kopā 12 fotogrāfijas, kas ir viss zirga skriešanas process.
Aplūkojot salabotās fotogrāfijas, cilvēki drīz vien atrada atbildi uz jautājumu: kad zirgs skrien, tas patiešām var iemūžināt mirkli – tā četras kājas vienlaikus atstāj zemi.
2023. gada 3. oktobrī Zviedrijas Karaliskā Zinātņu akadēmija paziņoja, ka tā ir piešķīrusi tā gada Nobela prēmiju fizikā Pjēram Agostini, Ferencam Krausam un Annei Luiljē par viņu "eksperimentālo metodi attosekundes gaismas impulsu ģenerēšanai, lai pētītu cilvēka ķermeņa dinamiku. elektroni matērijā."
"Tagad mēs varam atvērt durvis uz elektronu pasauli. Attosekundes fizika ir devusi mums iespēju izprast elektroniskās vadības mehānismus. Nākamais solis būs to izmantošana." Tā saka Eva Olsone, Nobela fizikas komitejas priekšsēdētāja.
Kad zinātnieki iegremdēja savu perspektīvu elektronu pasaulē, viņi atklāja, ka pozīcijas un enerģijas izmaiņu ātrums svārstās no vienas līdz vairākiem simtiem attosekundes, kur viena atosekunde ir viena sekundes miljardā daļa. Attosekundes impulsa gaismas tehnoloģija ir ātrākā cilvēcei pašlaik pieejamā laika skala, un tā ir kā lineāls, jo smalkāka ir lineāla skala, jo augstāka ir izmērāmā precizitāte.
Ķīnas Zinātnes un tehnoloģijas universitātes Humanitāro un sociālo zinātņu skolas Zinātnes un tehnoloģiju komunikācijas departamenta direktora vietnieks Yuan Lanfeng sacīja, ka attosekundes gaismas impulsu var saprast kā ātrgaitas kameras principu un ka kamera ar ātru reakcijas ātrumu ir nepieciešama, lai iemūžinātu cilvēka kustības procesa brīnišķīgos mirkļus. Atosekundes gaismas impulss ir "ātrgaitas kamera" mikroskopisko reakciju pētījumos.
Agrāk lāzera impulsu laika ierobežojums bija "femtosekundes", kas bija pietiekami, lai cilvēki redzētu atomus, bet elektroniem "femtosekundes" laika izšķirtspēja bija tik rupja, ka pēc šīs skalas varēja iegūt tikai mozaīkai līdzīgs efekts. Koherentie gaismas impulsi progresē no femtosekundēm
Koherentu gaismas impulsu virzība no femtosekundēm līdz attosekundēm ir ne tikai vienkāršs progress laika mērogā, bet, vēl svarīgāk, tas veicina cilvēku spēju pētīt matērijas struktūru no atomu un molekulu kustības līdz atomu iekšpusei, kur viņi var izpētīs elektronu kustības un korelācijas uzvedību, kas novedīs pie lielas revolūcijas fizikas pamatpētījumos.
Ko attosekunde dos parastajiem cilvēkiem?
Kādu dienu 1999. gadā Kalifornijas Tehnoloģiju institūta profesors Ahmeds Ksavjers ieguva Nobela prēmiju ķīmijā par savu atklājumu. Ksavjē 20. gadsimta 80. gados veiktie pētījumi, izmantojot lāzera staru, lai filmētu atomu svārstības pārejas stāvoklī, palīdzēja zinātniekiem novērot atomus un molekulas ķīmisko reakciju procesā "lēnā kustībā" un tādējādi izpētīt atomu dabu un struktūru. pārejas stāvoklis. Šī iemesla dēļ Ksavjers ir pazīstams arī kā "femtosekundes ķīmijas tēvs".
Kopš tā laika zinātnieki ir sapratuši, ka lāzeri, tāpat kā zibens, var tvert šos īslaicīgos mirkļus. Šis atklājums nodrošināja teorētisko pamatu virknei traucējošu pētījumu.
Šodien šī lāzera ātrums ir palielināts tūkstoš reižu, veiksmīgi realizējot krasas izmaiņas no femtosekundēm uz attosekundēm.
Mūsdienās, kad cilvēki piemin femtosekundes lāzeru, viņi bieži vien var domāt par daudzajām femtosekundes lāzera tuvredzības operācijām. Un, runājot par attosekundes lāzeru, šķiet, ka ir grūti saistīt šo terminu ar parasto cilvēku produktīvo dzīvi.
Yuan Lanfeng atklāti teica: "sekundes lāzers pašlaik nav īpaši izmantots, tā lietošana ir tikko sākusies, un tas joprojām ir iestrēdzis fundamentālajos pētījumos." Tomēr tas nenozīmē, ka attosekundes gaismas impulsam nav pielietojuma potenciāla, "tas atver durvis, bet tas, kas atrodas aiz šīm durvīm, mums joprojām ir rūpīgi jāizpēta." Viņš teica.
Kas tad ir aiz tām durvīm?
Impulsa lauka ablācijas sistēma, kas fotografēta Medtronic stendā 6. gadatirgus Medicīnas ierīču un veselības aprūpes sadaļā 2023. gada 5. novembrī
"Elektronu kustība ir atbildīga par gaismas ģenerēšanu, kā arī ķīmisko saišu veidošanos un pārtraukšanu, kas maina biomolekulu struktūru un to funkcijas dzīvās sistēmās, kā arī par iespējami ātru informācijas apstrādi ...... Šodien mēs izmantojam attosekundes gaismas impulsus, lai labāk izprastu mikroskopiskos procesus, kuros iesaistīti elektroni, atomi un molekulas, un noskaidrotu, kā tie ietekmē makroskopisko pasauli." Agrāk, pēc Vilka balvas fizikā iegūšanas, Ferencs Krauss šādā veidā izteica attosekundes fizikas pielietojumu vērtību.
Savukārt Eva Olsone sacīja, ka attosekundes fizika dod mums iespēju izprast elektroniskās vadības mehānismus, paverot ceļu potenciālajiem pielietojumiem elektroniskās informācijas industrijā un medicīnā.
Ķīnas Zinātņu akadēmijas Fizikas institūta pētnieks Wei Zhiyi uzskata, ka tehnoloģiju var apvienot ar supravadītspēju, nanomateriāliem, fotoelementu rūpniecību, farmāciju, lāzermedicīnu un citām jomām, lai veicinātu padziļinātu izpratni par struktūru. matērija, kas novedīs pie attiecīgiem revolucionāriem sasniegumiem.
Neapšaubāmi, lai gan pašreizējais attosekundes fizikas pielietojums joprojām ir tālu no dažu cilvēku iztēles, tam ir ārkārtīgi plašs pielietojuma scenāriju klāsts.
Tas nodrošina cilvēci ar "gudru acu" pāri, lai pētītu mikroskopisko pasauli.
Ar tā atbalstu daudziem mikroskopiskiem procesiem vairs nebūs jāapstiprina "netieši pierādījumi", bet tos var tieši novērot: ar attosekundes lāzeru var fotografēt dažādus ātrgaitas kustības procesus, piemēram, ķīmiskas reakcijas, molekulārā mēroga kustība un atomu mēroga kustība.
Ķīmisko reakciju fotografēšana ar atosekundes lāzeriem var palīdzēt zinātniekiem labāk izprast reakcijas mehānismus un vēl vairāk uzlabot ķīmiskos procesus. Fotografējot molekulu un atomu kustības ar attosekundes lāzeriem, var atklāt to mijiedarbību un kinētiskos procesus, kas ir svarīgi pētniecībā materiālzinātnē un biozinātnē.
Piemēram, biomedicīnas jomā ir sagaidāms, ka augstas izšķirtspējas attosekundes impulsu attēlveidošanas tehnoloģija uzlabos slimību agrīnu diagnostiku un ārstēšanu, kā arī nodrošinās jaunus sasniegumus vēža, neiroloģisko slimību un citu nozīmīgu medicīnisku problēmu izpētē.
Ir saprotams, ka Ferenca Krausa komanda arī cenšas izmantot femtosekundes un attosekundes metodes, lai analizētu asins paraugus un noteiktu nelielas izmaiņas tajos. Viņi analizē, vai šīs izmaiņas ir pietiekami specifiskas, lai varētu skaidri diagnosticēt slimību slimības sākuma stadijā, šī tehnoloģija var būtiski ietekmēt vēža un citu sarežģītu slimību izpēti.
"Attosekundes laikmeta" paātrinājums?
2021. gadā žurnāls Science publicēja "125 no pasaulē visprogresīvākās zinātnes problēmas", no kurām vairāk nekā 10 ir jāatrisina īpaši ātrai zinātnei. Paredzams, ka attosekundes impulsu parādīšanās radīs oriģinālākus jauninājumus vairākās zinātniskās un lietišķās pētniecības jomās.
Attosekundes lāzers, nevis dabas dāvana, bet gan cilvēka radīts brīnums.
Franču fiziķe Anne Lhuillier bija pirmā, kas atklāja rīkus, lai atvērtu attosekundes pasauli. 1987. gadā viņa veica gāzes jonizācijas eksperimentus, ar 1064 nanometru lāzera gaismas viļņa garumu argonu un vairākām citām retām gāzēm, gāzei, šķiet, bija atšķirīga krāsa no iepriekšējiem eksperimentiem.
Pēc tam viņa publicēja galveno rakstu, atklājot augsto harmoniku fenomenu, ko rada spēcīga cēlgāzu lāzera apstarošana, un ieguva tipisku augsto harmoniku spektrālo struktūru, kuru spektrālais platums ir spējis atbalstīt impulsus attosekundēs, nodrošinot priekšnosacījumi lāzera impulsu izrāvienam līdz attosekundēm. Kopš tā laika viņas pētnieka karjera un attosekundes lāzeri ir bijuši cieši saistīti, un 16 gadus vēlāk viņa vadīja pētnieku komandu, lai uzstādītu pasaules rekordu īsākā lāzera impulsa 170 attosekundēs.
Arī divi citi zinātnieki, kuri kopā ar viņu ieguva Nobela prēmiju fizikā, ir papildinājuši "attosekundes ēku": ungārs Ferencs Krauss vadīja pētnieku komandu, lai 2001. gadā izveidotu un izmērītu pirmo attosekundes gaismas impulsu, un izmantoja to, lai tvertu elektronu kustība atomos, iezīmējot attosekundes fizikas dzimšanu. Turklāt viņa komandai izdevās izolēt impulsus, kas ilgst 650 attosekundes, pirmo reizi zinātniekiem veiksmīgi izsekot elektronu atdalīšanai no atomiem. Francūzis Pjērs Agostini, līderis spēcīga lauka lāzeru mijiedarbībā ar atomiem, un viņa komanda bija pionieris attosekundes fizikā, pirmo reizi ģenerējot un mērot attosekundes gaismas impulsus un izmantojot tos, lai uztvertu elektronu kustību atomos.
Mūsdienās vairāk zinātnieku sacenšas par labāko vietu šajā jomā daudzās pasaules daļās.
Laboratorijā auglīgi rezultāti ir bieži: 2022. gadā pētnieki no Mičiganas Universitātes un Rēgensburgas Universitātes Vācijā sadarbojās, lai fiksētu elektronu kustību dažu simtu attosekundēs, kas ir līdz šim ātrākais ātrums.
Tajā pašā gadā Japānas RIKEN Zinātnes un ķīmijas institūta Progresīvās fotonikas centra pētnieku komanda un Tokijas Universitāte sadarbojās, lai izstrādātu jauna veida interferometru, lai tiktu galā ar šķautnēm, ko rada optiskie traucējumi, ko rada attosekundes impulsi. un kvantu iejaukšanās vielas elektroniskajos stāvokļos. Viņi pierādīja interferometra shēmas iespējamību, pēcģeneratīvi sadalot augstas harmonikas impulsus, izmantojot eksperimentus, izmantojot hēlija atomu paraugus.
Turklāt ir sākusies starptautiska būvniecība un konkurss par attosekundes lāzera iekārtu. Eiropas Savienība, ko atbalsta Nobela prēmijas laureāts fiziķis Žerārs Morū un citi, ir uzņēmusies vadību Ungārijā Eiropas ārkārtējās gaismas objekta Altosekundes gaismas avota (ELI-ALPS) būvniecībā un ir veicinājusi starptautiski pazīstamu uzņēmumu, piemēram, kā Fastlite, Active Fiber un Light Conversion. Lāzertehnoloģiju uzņēmumiem, piemēram, Fastlite, Active Fiber, Light Conversion un citiem starptautiski pazīstamiem produktu atkārtojumiem un jauninājumiem, šīm jaunās paaudzes lāzertehnoloģijām būs svarīga loma progresīvā ražošanā, valsts aizsardzības zinātnē un tehnoloģijās un citās jomās.
Ķīnā attiecīgās zinātniskās pētniecības vienības plašā mērogā veic attosekundes gaismas avotu infrastruktūras būvniecību, piemēram, Ķīnas Zinātņu akadēmijas Fizikas institūts un Songshan ezera materiālu laboratorija Donguanā, Guandunas provincē, Songshan ezerā, lai izveidotu attosekundes zinātnes centrs. Saprotams, ka pēc šī centra pabeigšanas ir paredzēts sasniegt starptautiskos vadošos visaptverošos rādītājus.
