Вторник Нобелевской недели — день физики. 3 октября 2023 года в Стокгольме объявили лауреатов этого года. Как и в прошлом году, премию не делили по разным тематикам. По 1/3 премии присудили трём лауреатам за эксперименты в области лазерной физики. Официальная формулировка 2023 года: «за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электронов в веществе».
Лауреатами стали Пьер Агостини (Pierre Agostini, США), Ференц Краус (Ferenc Krausz, Германия) и Анн Л’Юйе (Anne L’Huillier, Швеция).
Интересно, что двое из трёх лауреатов (Ф.Краус и А.Л’Юйе) в 2022 году получили премию Фонда Вольфа по физике с аналогичной формулировкой. Премия Вольфа считается «предвестником» Нобелевской — достаточно часто её лауреаты с интервалом в пару лет удостаиваются «главной» научной премии. Так, первооткрыватели экзопланеты у солнцеподобной звезды Мишель Майор и Дидье Кело также получили премию Вольфа в 2017 году — за два года до вручения им Нобелевской премии за те же экзопланеты.
Лауреаты этого года смогли добиться генерации ультракоротких импульсов света длительностью порядка аттосекунд (1 аттосекунда — это 10-18 секунд). Это характерные масштабы времени, на которых происходит взаимодействие электронов в атомах и молекулах в веществе, то есть определяется течение химических реакций и свойства материалов. Аттосекундные импульсы позволят исследовать такие процессы, но их получение в лаборатории было сложной задачей.
Напомним, что характерные времена, на которых происходит движение атомов в молекулах — это фемтосекунды (10-15 секунды). Такие процессы доступны для изучения при помощи коротких лазерных импульсов сопоставимой длительности. Движение атомов в молекулах определяется «инерцией» их тяжёлых ядер из протонов и нейтронов. Но электроны значительно легче нуклонов в ядрах (так, масса протона или нейтрона примерно в 1800 раз больше массы электрона), поэтому их характерные времена движения сокращаются на несколько порядков по сравнению с фемтосекундной шкалой. Долгое время считалось, что фемтосекундные импульсы — это наш технологический предел в лазерной технике. Усовершенствование существующих технологий позволило бы сократить длительность импульсов, например, в разы, но не на порядки. Для перехода на аттосекундную шкалу времени потребовался технологический прорыв, и эксперименты лауреатов этого года как раз и проложили путь к аттосекундной экспериментальной физике.
В 1980-х годах Анн Л’Юйе исследовала высокочастотные гармоники ультрафиолетового света, которые возникали при прохождении инфракрасного лазерного импульса сквозь среду из инертного газа. Такие гармоники образуются при взаимодействии с электронами вещества с их частичной ионизацией. При определённых условиях эти гармоники можно «собрать» вместе, создав световые импульсы определённой длительности. Но, как известно, чем меньше длительность импульса, тем больше частот нужно собрать вместе для такого волнового пакета. Тогда исследовательница вместе с коллегами из CEA-Saclay и открыла, что в благородных газах можно добиться генерации широкого спектра гармоник, которые можно собрать вместе для получения сверхкоротких световых импульсов.
В 2001 году второй из лауреатов, Пьер Агостини, получил сигнал из серии световых импульсов длительностью 250 аттосекунд каждый. В те же годы третий лауреат, Ференц Краус, работал в Технологическом институте Вены с экспериментами другого типа. Ему удалось выделить отдельный световой импульс длительностью 650 аттосекунд. Эти импульсы использовались для исследования процессов ионизации атомов.
С течением времени исследователи научились генерировать импульсы продолжительностью всего десятки аттосекунд. Такие световые сигналы уже широко используются в экспериментальной физике для исследования поведения электронов в веществе. В частности, с их помощью изучают силу связи электронов в атомах, а также колебания электронов в материалах и отдельных молекулах. Среди практических приложений аттосекундной физики — например, медицина: сверхкороткие импульсы помогут идентифицировать различные молекулы для медицинской диагностики.
***
Церемония объявления нобелевских лауреатов по физике 2023 года: