Нобелевская премия по физике 2023 года

Нобелевская премия 2023 года по физике присуждена трём учёным-экспериментаторам – Пьеру Агостини (США), Ференцу Краузу (Германия) и Анне Л’Юлье (Швеция) за создание экспериментальных методов генерации аттосекундных импульсов света для исследования динамики электронов в веществе.

В работах, проведённых нынешними нобелевскими лауреатами со второй половины 1980-х до начала 2000-х годов, были заложены основы создания инструментария для получения, измерения и применения вспышек когерентного вакуумного ультрафиолетового и рентгеновского излучения рекордно короткой – аттосекундной – длительности. Одна аттосекунда – это интервал времени длительностью в 10^–18 (десять в минус восемнадцатой степени) секунд. Длительности импульсов, достигаемые в настоящее время на основе разработок нынешних лауреатов, составляют менее 40 аттосекунд, что в четыре-пять раз меньше периода обращения электрона вокруг протона по наименьшей круговой орбите в боровской модели атома. Это означает, что с использованием столь коротких световых импульсов становится возможным получение «мгновенных снимков» электронов в процессе их движения внутри атомов или молекул. Осуществляя такие «съёмки» при разных задержках между ультракороткими импульсами накачки и зондирования, можно «снимать кино» о жизни электронов внутри атомов или молекул в ходе тех или иных внутриатомных или внутримолекулярных процессов.

Достигнутые успехи в получении аттосекундных импульсов связаны в первую очередь с использованием эффекта генерации высоких гармоник при ионизации атомов или молекул интенсивными фемтосекундными лазерными импульсами. Заслуга одного из нынешних нобелевских лауреатов – Анне Л’Юлье – состоит прежде всего в том, что она вместе с коллегами впервые отчётливо наблюдала генерацию высоких гармоник лазерного излучения при его взаимодействии с атомами. При генерации высоких гармоник излучение инфракрасного или видимого диапазона преобразуется в широкополосное излучение, состоящее из эквидистантных спектральных компонент, частоты которых могут в десятки, сотни, а то и в тысячи раз превосходить частоту исходного лазерного излучения. Более того, в экспериментах Л’Юлье с коллегами было обнаружено то противоречащее предсказаниям теории возмущений обстоятельство, что спектр генерируемых высоких гармоник обладает платообразной структурой, то есть в широкой спектральной области интенсивности высоких гармоник слабо зависят от их номера вплоть до некоторой частоты, за которой наблюдается резкая отсечка спектра.

Обнаруженные особенности наблюдаемого спектра высоких гармоник, как и сам физический механизм появления этих гармоник, были впервые убедительно объяснены канадским физиком Полом Коркумом, предложившим простую полуклассическую модель этого явления. Согласно модели Коркума, высокие гармоники генерируются в результате трёхступенчатого процесса, в ходе которого атомарный электрон (1) отрывается от атома вследствие туннельной ионизации в осциллирующем лазерном поле, (2) ускоряется в этом поле и (3) после смены направления электрического поля возвращается к родительскому иону и, сталкиваясь с ним, высвобождает набранную энергию в виде высокоэнергетичного фотона. Остаётся только сожалеть о том, что в списке нынешних нобелевских лауреатов не нашлось места Полу Коркуму, сыгравшему ключевую роль в понимании физики генерации высоких гармоник и аттосекундных импульсов и разработке их применений.

Отмеченные выше особенности спектра высоких гармоник делают принципиально возможным их использование для получения аттосекундных импульсов. Действительно, в соответствии с хорошо известным «соотношением неопределенностей» между длительностью и спектральной шириной волнового пакета, каковым является и импульс электромагнитного излучения, гауссов импульс длительностью в 100 аттосекунд имеет спектральную ширину в 18,3 эВ, что почти в шесть раз превышает значение, соответствующее фиолетовой границе видимого диапазона. Отсюда очевидно, что для получения аттосекундных импульсов требуется широкополосное излучение со спектром, простирающимся в вакуумный ультрафиолетовый или даже в мягкий рентгеновский диапазон. Именно такое излучение возникает в процессе генерации высоких гармоник.

Следует отметить, что большая ширина спектра не является достаточным условием получения аттосекундных импульсов – необходимо также надлежащим образом синхронизовать сгенерированные спектральные компоненты, подобно тому, как это делается при синхронизации мод, генерируемых лазером, для получения ультракоротких лазерных импульсов. Важный вклад Анне Л’Юлье в аттосекундную физику состоит и в том, что ей удалось сформулировать и реализовать в экспериментах принципы синхронизации высоких гармоник.

Говоря о заслугах других нынешних лауреатов, следует отметить, что ещё до работ, упомянутых в решении Нобелевского комитета, ими были проведены важные исследования, способствовавшие в дальнейшем развитию аттосекундной физики. Так, Пьер Агостини с сотрудниками ещё в 1979 году обнаружили и в дальнейшем всесторонне исследовали явление надпороговой ионизации, которое по существу является первым из наблюденных в эксперименте непертурбативных ионизационных процессов, в ряду которых стоит и генерация высоких гармоник. Ференц Крауз в 1990-х годах разработал ряд важных технологий, нашедших дальнейшее применение в аттосекундной физике. Так, им с коллегами впервые созданы источники фемтосекундных лазерных импульсов со стабилизированной фазой заполнения относительно огибающей, на основе которых, в частности, впервые была реализована генерация одиночного аттосекундного импульса.

Все нынешние лауреаты приложили много усилий к тому, чтобы сделать короткие вспышки излучения высоких гармоник как можно более короткими, контрастными и научиться управлять их характеристиками. Более того, они предложили и впервые реализовали методы измерения аттосекундных импульсов, как одиночных (Ференц Крауз), так и повторяющихся (Пьер Агостини).

Пионерские работы нынешних лауреатов дали мощный импульс к разработке самых различных приложений аттосекундных импульсов, имеющих как фундаментальную, так и прикладную значимость. Так, продемонстрированы возможности экспериментальных измерений задержек фотоионизации – иными словами, исследования того, сколько времени понадобится электронам, находившимся вначале в тех или иных связанных состояниях внутри атомов, молекул или твердых тел, чтобы преодолеть кулоновское притяжение со стороны ядер и начать свободное движение, приводящее к возникновению фототока. Другим ярким примером являются эксперименты, в которых с использованием аттосекундных импульсов удалось впервые зарегистрировать и прописать во времени электронные процессы внутри диэлектриков, приводящие к превращению этих диэлектриков в проводники и обратно под действием ультракоротких инфракрасных лазерных импульсов; предполагается, что такие лазерно-индуцируемые быстрые переходы лягут в основу новых электронных переключателей и других устройств с быстродействием в тысячи раз более высоким, чем в современной электронике. Большие успехи достигнуты и в применениях аттосекундных импульсов для зондирования перемещения электронов (или электронных возбуждений) вдоль молекул в различных физических, химических и биологических процессах.

Работы в области аттосекундной физики бурно развиваются и расширяются. Такие исследования (пока в основном теоретические) проводятся и в ИПФ РАН. Исследования по генерации аттосекундных импульсов в газах были инициированы ещё в середине 1990-х годов А.М. Сергеевым и в настоящее время продолжаются в группах, руководимых М.Ю. Рябикиным и Н.В. Введенским. Ими разрабатываются способы получения аттосекундных импульсов с большей интенсивностью, с заданным профилем электрического поля, состоянием поляризации и т.д., а также новые методы их измерения. Учитывая достигнутый в последние годы в ИПФ РАН (в частности, в лаборатории лазеров с экстремальными параметрами под руководством И.Б. Мухина) значительный прогресс в создании лазерной техники, основанной в высокой степени на оригинальных разработках и обладающей рядом уникальных характеристик, чрезвычайно полезных для эффективной генерации аттосекундных импульсов в газах и диэлектриках, можно ожидать, что работы по аттосекундной физике в ИПФ РАН могут перейти и в экспериментальную плоскость. Одним из перспективных направлений для получения ещё более ярких и коротких (вплоть до зептосекундных, т.е. в тысячу раз более коротких, чем аттосекундные) вспышек света является использование воздействия мощных лазерных импульсов на поверхности металлов. Работы в этом направлении ведутся и в ИПФ РАН совместно с Национальным центром физики и математики под научным руководством А.М. Сергеева.

М.Ю. Рябикин