2023 წლის 3 ოქტომბრის საღამოს გამოქვეყნებულ მნიშვნელოვან განცხადებაში, 2023 წლის ნობელის პრემია გაიხსნა ფიზიკაში, რომელიც აფასებს სამი მეცნიერის გამორჩეულ წვლილს, რომლებმაც შეასრულეს პიონერების როლი ატოწამის ლაზერული ტექნოლოგიის სფეროში.

ტერმინი "ატოწამული ლაზერი" მომდინარეობს მისი სახელი წარმოუდგენლად მოკლე დროიდან, რომლითაც ის მოქმედებს, კონკრეტულად ატოწამების რიგით, რომელიც შეესაბამება 10^-18 წამს. ამ ტექნოლოგიის ღრმა მნიშვნელობის გასაგებად, მთავარია იმის ფუნდამენტური გაგება, თუ რას ნიშნავს ატოწამი. ატოწამი არის დროის უაღრესად წუთიერი ერთეული, რომელიც შეადგენს წამის მილიარდი მემილიარდედს ერთი წამის უფრო ფართო კონტექსტში. ამ პერსპექტივის გასაგებად, თუ ჩვენ ვადარებთ წამს კოშკების მთას, ატოწამი დაემსგავსება ქვიშის ერთ მარცვალს მთის ძირში. ამ ხანმოკლე დროით ინტერვალში სინათლეც კი ძლივს გადის ცალკეული ატომის ზომის ტოლ მანძილს. ატოწამიანი ლაზერების გამოყენებით, მეცნიერები იძენენ უპრეცედენტო უნარს, გამოიკვლიონ და მანიპულირონ ელექტრონების რთული დინამიკით ატომურ სტრუქტურებში, რაც ჰგავს კადრ-კადრის შენელებულ მოძრაობას კინემატოგრაფიულ თანმიმდევრობაში, რითაც ჩაუღრმავდება მათ ურთიერთკავშირში.

ატოწამული ლაზერებიწარმოადგენს მეცნიერთა ფართო კვლევისა და ერთობლივი ძალისხმევის კულმინაციას, რომლებმაც გამოიყენეს არაწრფივი ოპტიკის პრინციპები ულტრასწრაფი ლაზერების შესაქმნელად. მათმა მოსვლამ მოგვცა ინოვაციური პერსპექტივა ატომების, მოლეკულების და თუნდაც ელექტრონების მყარ მასალებში დინამიური პროცესების დაკვირვებისა და კვლევისთვის.

ატოწამური ლაზერების ბუნების გასარკვევად და მათი არატრადიციული ატრიბუტების შესაფასებლად ჩვეულებრივ ლაზერებთან შედარებით, აუცილებელია მათი კატეგორიზაციის შესწავლა უფრო ფართო "ლაზერების ოჯახში". კლასიფიკაცია ტალღის სიგრძის მიხედვით ათავსებს ატტოწამის ლაზერებს უპირატესად ულტრაიისფერი და რბილი რენტგენის სიხშირეების დიაპაზონში, რაც ნიშნავს მათ საგრძნობლად მოკლე ტალღის სიგრძეებს ჩვეულებრივი ლაზერებისგან განსხვავებით. გამომავალი რეჟიმების თვალსაზრისით, ატოწამური ლაზერები მიეკუთვნება იმპულსური ლაზერების კატეგორიას, რომლებიც ხასიათდება პულსის ძალიან მოკლე ხანგრძლივობით. სიცხადისთვის ანალოგიის შესაქმნელად, შეიძლება წარმოვიდგინოთ უწყვეტი ტალღის ლაზერები, როგორც ფანარი, რომელიც ასხივებს სინათლის უწყვეტ სხივს, ხოლო პულსირებული ლაზერები ჰგავს სტრობულ შუქს, რომელიც სწრაფად იცვლება განათებისა და სიბნელის პერიოდებს შორის. არსებითად, ატოწამური ლაზერები ავლენენ პულსირებულ ქცევას განათებასა და სიბნელეში, მაგრამ მათი გადასვლა ორ მდგომარეობას შორის გასაოცარი სიხშირით ხდება და აღწევს ატოწამების სამეფოს.

დამატებითი კატეგორიზაცია სიმძლავრის მიხედვით ათავსებს ლაზერებს დაბალი სიმძლავრის, საშუალო სიმძლავრის და მაღალი სიმძლავრის ფრჩხილებში. ატოწამის ლაზერები აღწევენ მაღალ პიკს მათი უკიდურესად მოკლე პულსის ხანგრძლივობის გამო, რაც იწვევს მკვეთრად გამოხატულ პიკს (P) - განისაზღვრება როგორც ენერგიის ინტენსივობა ერთეულ დროში (P=W/t). მიუხედავად იმისა, რომ ცალკეულ ატოწამიან ლაზერულ იმპულსებს შეიძლება არ გააჩნდეთ განსაკუთრებულად დიდი ენერგია (W), მათი შემოკლებული დროებითი ზომა (t) ანიჭებს მათ ამაღლებულ პიკს.

გამოყენების დომენების თვალსაზრისით, ლაზერები მოიცავს სპექტრს, რომელიც მოიცავს სამრეწველო, სამედიცინო და სამეცნიერო აპლიკაციებს. Attosecond ლაზერები უპირველეს ყოვლისა პოულობენ თავიანთ ნიშას მეცნიერული კვლევის სფეროში, განსაკუთრებით სწრაფად განვითარებადი ფენომენების შესწავლისას ფიზიკისა და ქიმიის სფეროებში, რაც ქმნის ფანჯარას მიკროკოსმოსური სამყაროს სწრაფ დინამიურ პროცესებში.

ლაზერული საშუალების მიხედვით კატეგორიზაცია განასხვავებს ლაზერებს, როგორც გაზის ლაზერებს, მყარი მდგომარეობის ლაზერებს, თხევად ლაზერებს და ნახევარგამტარულ ლაზერებს. ატოწამის ლაზერების გენერაცია, როგორც წესი, დამოკიდებულია გაზის ლაზერულ მედიაზე, არაწრფივი ოპტიკური ეფექტების კაპიტალიზაციაზე მაღალი რიგის ჰარმონიის წარმოქმნის მიზნით.

შეჯამებით, ატოწამური ლაზერები წარმოადგენენ მოკლე იმპულსური ლაზერების უნიკალურ კლასს, რომელიც გამოირჩევა პულსის არაჩვეულებრივად მოკლე ხანგრძლივობით, რომელიც ჩვეულებრივ იზომება ატოწამებში. შედეგად, ისინი გახდნენ შეუცვლელი იარაღები ატომებში, მოლეკულებსა და მყარ მასალებში ელექტრონების ულტრასწრაფი დინამიური პროცესების დაკვირვებისა და კონტროლისთვის.

Attosecond ლაზერის თაობის დახვეწილი პროცესი

Attosecond ლაზერული ტექნოლოგია დგას მეცნიერული ინოვაციების წინა პლანზე, რომელიც გამოირჩევა დამაინტრიგებლად მკაცრი პირობებით მისი წარმოებისთვის. ატოწამური ლაზერის წარმოქმნის სირთულეების გასარკვევად, ჩვენ ვიწყებთ მისი ძირითადი პრინციპების ლაკონური ექსპოზიციით, რასაც მოჰყვება ნათელი მეტაფორები, რომლებიც მიღებულია ყოველდღიური გამოცდილებიდან. შესაბამისი ფიზიკის სირთულეებში გათვითცნობიერებული მკითხველები არ უნდა იმედგაცრუებულნი იყვნენ, რადგან მომდევნო მეტაფორები მიზნად ისახავს ატოწამის ლაზერების ძირითადი ფიზიკის ხელმისაწვდომობას.

ატოწამის ლაზერების წარმოქმნის პროცესი ძირითადად ეყრდნობა ტექნიკას, რომელიც ცნობილია როგორც მაღალი ჰარმონიული გენერაცია (HHG). პირველ რიგში, მაღალი ინტენსივობის ფემტოწამის (10^-15 წამი) ლაზერული იმპულსების სხივი მჭიდროდ არის ორიენტირებული აირისებრ სამიზნე მასალაზე. აღსანიშნავია, რომ ფემტოწამული ლაზერები, რომლებიც ატოწამული ლაზერების მსგავსია, იზიარებენ პულსის მოკლე ხანგრძლივობისა და მაღალი პიკური სიმძლავრის მახასიათებლებს. ინტენსიური ლაზერული ველის გავლენის ქვეშ, გაზის ატომებში ელექტრონები მომენტალურად განთავისუფლდებიან მათი ატომური ბირთვებისგან და დროებით შედიან თავისუფალი ელექტრონების მდგომარეობაში. როდესაც ეს ელექტრონები რხევავენ ლაზერული ველის საპასუხოდ, ისინი საბოლოოდ უბრუნდებიან და უერთდებიან თავიანთ მშობელ ატომურ ბირთვებს, ქმნიან ახალ მაღალი ენერგიის მდგომარეობას.

ამ პროცესის დროს ელექტრონები მოძრაობენ უკიდურესად მაღალი სიჩქარით და ატომის ბირთვებთან რეკომბინაციისას ისინი ათავისუფლებენ დამატებით ენერგიას მაღალი ჰარმონიული ემისიების სახით, რაც გამოიხატება როგორც მაღალი ენერგიის ფოტონები.

ამ ახლად წარმოქმნილი მაღალი ენერგიის ფოტონების სიხშირეები არის თავდაპირველი ლაზერული სიხშირის მთელი რიცხვი, რაც ქმნის იმას, რასაც უწოდებენ მაღალი რიგის ჰარმონიკას, სადაც "ჰარმონიკა" აღნიშნავს სიხშირეებს, რომლებიც ორიგინალური სიხშირის განუყოფელი ჯერადებია. ატოწამიანი ლაზერების მისაღწევად, საჭირო ხდება ამ მაღალი რიგის ჰარმონიების გაფილტვრა და ფოკუსირება, კონკრეტული ჰარმონიების შერჩევა და მათი კონცენტრაცია ფოკუსურ წერტილში. თუ სასურველია, პულსის შეკუმშვის ტექნიკას შეუძლია კიდევ უფრო შეამციროს პულსის ხანგრძლივობა, რაც იძლევა ულტრა მოკლე პულსებს ატტოწამის დიაპაზონში. ცხადია, ატოწამური ლაზერების გამომუშავება წარმოადგენს დახვეწილ და მრავალმხრივ პროცესს, რომელიც მოითხოვს ტექნიკური უნარების მაღალ ხარისხს და სპეციალიზებულ აღჭურვილობას.

ამ რთული პროცესის დემისტირებისთვის, ჩვენ გთავაზობთ მეტაფორულ პარალელს, რომელიც დაფუძნებულია ყოველდღიურ სცენარებზე:

მაღალი ინტენსივობის ფემტოწამული ლაზერული პულსები:

წარმოიდგინეთ, რომ ფლობდეს განსაკუთრებულად ძლიერ კატაპულტს, რომელსაც შეუძლია მყისიერად ისროლოს ქვები კოლოსალური სიჩქარით, რაც ჰგავს მაღალი ინტენსივობის ფემტოწამის ლაზერული იმპულსების როლს.

აირისებრი სამიზნე მასალა:

წარმოიდგინეთ წყლის წყნარი სხეული, რომელიც სიმბოლოა აირისებრი სამიზნე მასალისაგან, სადაც წყლის თითოეული წვეთი წარმოადგენს უამრავ გაზის ატომს. წყლის ამ სხეულში ქვების გადაადგილების აქტი ანალოგიურად ასახავს მაღალი ინტენსივობის ფემტოწამური ლაზერული იმპულსების ზემოქმედებას აირისებრ სამიზნე მასალაზე.

ელექტრონის მოძრაობა და რეკომბინაცია (ფიზიკურად განსაზღვრული გარდამავალი):

როდესაც ფემტოწამიანი ლაზერული იმპულსები ზემოქმედებს აირის ატომებზე აირისებრი სამიზნე მასალის შიგნით, გარე ელექტრონების მნიშვნელოვანი რაოდენობა მომენტალურად აღგზნებულია იმ მდგომარეობაში, სადაც ისინი იშლება მათი შესაბამისი ატომური ბირთვებიდან და ქმნიან პლაზმის მსგავს მდგომარეობას. როდესაც სისტემის ენერგია შემდგომში მცირდება (რადგან ლაზერული იმპულსები თანდაყოლილი იმპულსურია, ახასიათებს შეწყვეტის ინტერვალები), ეს გარე ელექტრონები ბრუნდებიან ატომის ბირთვების სიახლოვეს, ათავისუფლებენ მაღალი ენერგიის ფოტონებს.

მაღალი ჰარმონიული თაობა:

წარმოიდგინეთ, რომ ყოველ ჯერზე, როცა წყლის წვეთი უკან იშლება ტბის ზედაპირზე, ის ქმნის ტალღებს, ისევე როგორც მაღალი ჰარმონიის ატტოწამის ლაზერებში. ამ ტალღებს აქვს უფრო მაღალი სიხშირე და ამპლიტუდა, ვიდრე თავდაპირველი ტალღები, რომლებიც გამოწვეულია პირველადი ფემტოწამური ლაზერული პულსით. HHG პროცესის დროს მძლავრი ლაზერის სხივი, რომელიც ქვების განუწყვეტლივ სროლას ჰგავს, ანათებს გაზის სამიზნეს, ტბის ზედაპირის მსგავსი. ეს ინტენსიური ლაზერული ველი უბიძგებს ელექტრონებს გაზში, ტალღების ანალოგიურად, აშორებს მათ მშობელ ატომებს და შემდეგ აბრუნებს მათ უკან. ყოველ ჯერზე, როდესაც ელექტრონი უბრუნდება ატომს, ის ასხივებს ახალ ლაზერულ სხივს უფრო მაღალი სიხშირით, უფრო რთული ტალღოვანი ნიმუშების მსგავსი.

ფილტრაცია და ფოკუსირება:

ყველა ამ ახლად წარმოქმნილი ლაზერული სხივების შერწყმით წარმოიქმნება სხვადასხვა ფერის სპექტრი (სიხშირეები ან ტალღის სიგრძე), რომელთაგან ზოგიერთი წარმოადგენს ატოწამის ლაზერს. ტალღების კონკრეტული ზომისა და სიხშირის იზოლირებისთვის, შეგიძლიათ გამოიყენოთ სპეციალიზებული ფილტრი, რომელიც ჰგავს სასურველი ტალღების არჩევას და გამოიყენოთ გამადიდებელი შუშა, რათა ფოკუსირება მოახდინოს მათ კონკრეტულ ზონაზე.

პულსის შეკუმშვა (საჭიროების შემთხვევაში):

თუ თქვენ მიზნად ისახავთ ტალღების უფრო სწრაფად და ხანმოკლე გავრცელებას, შეგიძლიათ დააჩქაროთ მათი გავრცელება სპეციალიზებული მოწყობილობის გამოყენებით, შეამციროთ თითოეული ტალღის ხანგრძლივობა. ატოწამური ლაზერების წარმოქმნა მოიცავს პროცესების კომპლექსურ ურთიერთკავშირს. თუმცა, როდესაც იშლება და ვიზუალიზაცია ხდება, უფრო გასაგები ხდება.