Светът на бойните изкуства, само бързо.
Понякога ще поставим много кратко време, описано като "времето на един сърдечен ритъм", а продължителността на един сърдечен ритъм е 10 на 18-та степен от секундата.
В скорошен експеримент, подобен на стоп-моушън фотография, екип от учени от Съединените щати и Германия заснеха за първи път „замразени кадри“ на електрони, движещи се в течна вода в реално време, и резултатите бяха публикувани в списание Science.
Експерти от журито обясняват резултатите от изследванията на носителите на Нобелова награда за физика за 2023 г. при обявяването на Нобеловата награда за физика за 2023 г. в Стокхолм, Швеция, 3 октомври 2023 г.
Според експертите резултатът бележи сериозен напредък в експерименталната физика, предоставяйки прозорец към електронната структура на молекулите в течности във времеви мащаби, непостижими преди с рентгенови лъчи. Преди това учените можеха да определят движението на електрони само в пикосекунда (1 секунда=1 трилиона пикосекунди) времева скала. Сега способността да се изучават електронните реакции на рентгеновите лъчи, удрящи цел в атосекундната скала, позволява на изследователите да се задълбочат в химичните реакции, предизвикани от радиация, милион пъти по-бързо от предишните методи.
Всички индикации сочат, че атосекундният лазер може да е ключът към отключването на мистериозния свят на електрониката.
Какво е "атосекунда"?
За обикновените хора атосекундата е изключително странно понятие.
Всъщност, още в периода на Воюващите държави, известният мислител на Китай, трупът Као представи "четири страни нагоре и надолу, каза Ю, древен и модерен каза Зевс", простият възглед за пространството и времето. Към днешна дата, в челните редици на физичните изследвания, пространството и времето все още са най-важните и фундаментални две измерения.
Що се отнася до човешките сетива, когато даден обект е в бързо движение, неговите образи са замъглени и се припокриват и не могат да се наблюдават промени, настъпващи за много кратък период от време. Ето защо е важно учените да разработят по-прецизни „прозорци на времето“, за да уловят или изобразят тези много кратки моменти.
През 19 век е имало много обсъждан и обсъждан въпрос във физиката: когато конят бяга, четирите му крака напускат ли земята едновременно?
Американският предприемач Леланд Станфорд се интересуваше много от този въпрос. За да провери това предположение, той се обръща към известния фотограф Едвард Мюбридж. В онези дни видео функцията все още не беше родена, когато времето за реакция на затвора на камерата беше 15 секунди, понякога дори до минута.
Конете не намаляваха скоростта, за да се погрижат за затвора на фотоапарата, а тракащите им копита бяха най-голямата пречка за проверка на тази хипотеза. Едуард Мейбридж не се отказа толкова лесно, той имаше блестящата идея не само да подобри дизайна на затвора на камерата, но и постави 12 камери и механизми на пистата. Всеки път, когато конят се доближи до камерата, механизмът се задейства и се прави снимка. Накрая той сглобява 12-те снимки, което е целият процес на бягането на коня.
Разглеждайки сглобените снимки, хората скоро намериха отговора на въпроса: когато конят тича, той наистина може да улови момент - четирите му крака напускат земята едновременно.
На 3 октомври 2023 г. Кралската шведска академия на науките обяви, че е присъдила Нобеловата награда за физика за тази година на Пиер Агостини, Ференц Краус и Ан Лулие за техния „експериментален метод за генериране на атосекундни светлинни импулси за изследване на динамиката на електрони в материята."
„Сега можем да отворим вратата към света на електроните. Атосекундната физика ни даде възможност да разберем механизмите на електронното управление. Следващата стъпка ще бъде да ги използваме.“ Така казва Ева Олсън, председател на Нобеловия комитет по физика.
Когато учените потопиха перспективата си в света на електроните, те откриха, че скоростта на промяна на позицията и енергията варира между една и няколкостотин атосекунди, където една атосекунда е една милиардна от секундата. Технологията на атосекундната импулсна светлина е най-бързата времева скала, достъпна в момента на човечеството, и тя е като линийка, колкото по-фина е скалата на линийката, толкова по-висока е точността на измеримото.
Юан Ланфенг, заместник-директор на Департамента за комуникации в областта на науката и технологиите, Училището по хуманитарни и социални науки, Университет за наука и технологии на Китай, каза, че атосекундният светлинен импулс може да се разбира като принципа на високоскоростната камера и че е необходима камера с бърза скорост на реакция, за да улови прекрасните моменти от процеса на движение на човек. Атосекундният светлинен импулс е „високоскоростната камера“ в изследването на микроскопските реакции.
В миналото времевата граница за лазерните импулси беше „фемтосекунди“, което беше достатъчно, за да могат хората да видят атоми, но за електроните разделителната способност във времето от „фемтосекунди“ беше толкова груба, че според тази скала можеше да се получи само ефект на мозайка. Кохерентните светлинни импулси напредват от фемтосекунди
Напредъкът на кохерентните светлинни импулси от фемтосекунди до атосекунди е не само прост напредък във времевата скала, но по-важното е, че подобрява способността на хората да изучават структурата на материята от движението на атомите и молекулите до вътрешността на атомите, където те могат изследвайте поведението на движението и корелацията на електроните, което ще доведе до голяма революция в основните изследвания на физиката.
Какво ще донесе атосекундата на обикновените хора?
Един ден през 1999 г. Ахмед Ксавиер, професор в Калифорнийския технологичен институт, спечели Нобеловата награда за химия за своето откритие. Изследванията на Ксавие през 80-те години на миналия век, използвайки лазерен лъч за заснемане на трептенията на атомите в преходно състояние, помогнаха на учените да наблюдават атоми и молекули в процеса на химични реакции в „забавен каданс“ и по този начин да изследват природата и структурата на преходно състояние. Поради тази причина Ксавие е известен още като „бащата на фемтосекундната химия“.
Оттогава учените са разбрали, че лазерите, подобно на светкавиците, могат да уловят тези мимолетни моменти. Това откритие предостави теоретичната основа за серия от разрушителни изследвания.
Днес скоростта на този лазер е надградена хиляда пъти, успешно реализирайки драстичната промяна от фемтосекунди към атосекунди.
В днешно време, когато хората споменават фемтосекунден лазер, те често се сещат за многото приложения, представени от фемтосекундната лазерна хирургия на миопия. А що се отнася до атосекундния лазер, изглежда трудно този термин да се свърже с продуктивния живот на обикновените хора.
Юан Ланфенг откровено каза: „А-секундният лазер не е много полезен в момента, приложението му току-що е започнало и все още е заседнал в основни изследвания.“ Това обаче не означава, че атосекундният светлинен импулс няма потенциал за приложение, „той отваря врата, но това, което е зад тази врата, все още трябва да изследваме в дълбочина“. Той каза.
И така, какво има зад тази врата?
Система за аблация с импулсно поле, снимана на щанда на Medtronic в раздела за медицински изделия и здравеопазване на 6-ия панаир на 5 ноември 2023 г.
„Електронното движение е отговорно за генерирането на светлина, както и за образуването и разкъсването на химични връзки, които променят структурата на биомолекулите и тяхната функция в живите системи, както и за възможно най-бързата обработка на информация ...... Днес ние използваме атосекундни светлинни импулси, за да разберем по-добре микроскопичните процеси, включващи електрони, атоми и молекули, и да разберем как те влияят на макроскопичния свят." По-рано, след като спечели наградата Wolf по физика, Ференц Краус заяви стойността на приложенията на атосекундната физика по този начин.
Ева Олсън, от друга страна, каза, че физиката на атосекундата ни дава възможност да разберем механизмите на електронното управление, проправяйки пътя за потенциални приложения в индустрията на електронната информация и медицината.
Wei Zhiyi, изследовател в Института по физика на Китайската академия на науките, вярва, че технологията може да се комбинира със свръхпроводимост, наноматериали, фотоволтаична индустрия, фармацевтични продукти, лазерна медицина и други области, за да насърчи по-задълбочено разбиране на структурата на материята от човечеството, което ще доведе до съответните революционни постижения.
Несъмнено, въпреки че текущото приложение на атосекундната физика все още е далеч от въображението на някои хора, то има изключително широк спектър от сценарии за приложение.
Той предоставя на човечеството чифт „интелигентни очи“ за изучаване на микроскопичния свят.
С неговата поддръжка много микроскопични процеси вече няма да изискват „косвени доказателства“, за да бъдат потвърдени, но могат да бъдат директно наблюдавани: атосекундният лазер може да се използва за фотографиране на различни високоскоростни процеси на движение, като химически реакции, молекулярни мащаби движение и движение в атомен мащаб.
Фотографирането на химически реакции с атосекундни лазери може да помогне на учените да разберат по-добре реакционните механизми и допълнително да подобрят химичните процеси. Фотографирането на движенията на молекули и атоми с атосекундни лазери може да разкрие техните взаимодействия и кинетични процеси, които са важни за изследванията в материалознанието и бионауката.
В областта на биомедицината, например, технологията за изображения с висока разделителна способност на атосекундни импулси се очаква да подобри ранната диагностика и лечение на заболявания и да осигури нови пробиви в изследването на рак, неврологични заболявания и други големи медицински предизвикателства.
Разбираемо е, че екипът на Ferenc Krauss също се опитва да използва техники за фемтосекунда и атосекунда, за да анализира кръвни проби и да открие малки промени в тях. Те анализират дали тези промени са достатъчно специфични, за да могат ясно да диагностицират заболяването в началния стадий на заболяването, тази технология може да има значително влияние върху изследването на рака и други трудни заболявания.
Ускоряването на "атосекундната ера"?
През 2021 г. списание Science публикува „125 от най-модерните научни проблеми в света“, от които повече от 10 трябва да бъдат решени от свръхбърза наука. Очаква се появата на атосекундни импулси да доведе до по-оригинални иновации в няколко области на научните и приложни изследвания.
Атосекундният лазер не е дар от природата, а чудо, създадено от човека.
Френският физик Ан Лулие беше първата, която откри инструментите, за да отвори света на атосекундите. през 1987 г. тя правеше експерименти с йонизация на газ, дължината на вълната от 1064 нанометра лазерна светлина в аргон и няколко други редки газове, газът изглеждаше с различен цвят от предишните експерименти.
След това тя публикува ключова статия, откривайки феномена на високи хармоници, генерирани от силно лазерно облъчване на благородни газове, и получава типичната спектрална структура на високи хармоници, чиято спектрална ширина е в състояние да поддържа импулси от порядъка на атосекунди, осигурявайки необходимите условия за пробив на лазерните импулси до атосекунди. Оттогава нейната изследователска кариера и атосекундните лазери са тясно преплетени и 16 години по-късно тя ръководи екип от изследователи, за да постави световен рекорд за най-кратък лазерен импулс от 170 атосекунди.
Другите двама учени, които спечелиха Нобеловата награда за физика заедно с нея, също добавиха към „атосекундната сграда“: унгарецът Ференц Краус ръководи екип от изследователи, за да създаде и измери първия атосекунден светлинен импулс през 2001 г. и го използва, за да улови движение на електрони вътре в атомите, отбелязвайки раждането на физиката на атосекундата. Освен това екипът му успява да изолира импулси с продължителност 650 атосекунди, за първи път учените успешно проследяват отделянето на електрони от атоми. Французинът Пиер Агостини, лидер във взаимодействието на лазери със силно поле с атоми, и неговият екип са пионери във физиката на атосекундите, като генерират и измерват атосекундни светлинни импулси за първи път и ги използват за улавяне на движението на електрони вътре в атомите.
Днес повече учени се състезават за първото място в областта в много части на света.
В лабораторията ползотворните резултати са чести: през 2022 г. изследователи от Университета на Мичиган и Университета на Регенсбург в Германия си сътрудничиха, за да уловят движението на електрони в рамките на няколкостотин атосекунди, най-бързата скорост досега.
През същата година екип от изследователи от Центъра за усъвършенствана фотоника към Института за наука и химия RIKEN в Япония и Токийския университет си сътрудничат, за да разработят нов тип интерферометър за справяне с ивици, произтичащи от оптични смущения, произхождащи от атосекундни импулси и квантова интерференция с електронни състояния в материята. Те демонстрираха осъществимостта на схемата на интерферометъра чрез пост-генеративно разделяне на високи хармонични импулси чрез експерименти, използващи проби от хелиеви атоми.
Освен това започна международно строителство и състезание за атосекундно лазерно съоръжение. Подкрепян от носителя на Нобелова награда по физика Жерар Муру и други, Европейският съюз пое водеща роля в Унгария в изграждането на Европейското съоръжение за екстремна светлина – алтосекунден източник на светлина (ELI-ALPS) и насърчи изграждането на международно известни компании като като Fastlite, Active Fiber и Light Conversion. Лазерни технологични компании като Fastlite, Active Fiber, Light Conversion и други международно признати продуктови итерации и надстройки, тези лазерни технологии от ново поколение ще играят важна роля в модерното производство, науката и технологиите за национална отбрана и други области.
В Китай съответните научноизследователски звена извършват инфраструктурно изграждане на атосекундни източници на светлина в голям мащаб, като например Института по физика на Китайската академия на науките и лабораторията за материали на езерото Сонгшан в Донгуан, провинция Гуангдонг, езерото Соншан, за да изградят attosecond научен център. Разбираемо е, че след завършването на този център се очаква да се постигнат международните водещи всеобхватни показатели.
