Ο κόσμος των πολεμικών τεχνών, μόνο γρήγορα.
Μερικές φορές, θα βάλουμε ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα, που περιγράφεται ως "ο χρόνος ενός καρδιακού παλμού", και η διάρκεια ενός καρδιακού παλμού είναι 10 έως τη 18η δύναμη του δευτερολέπτου.
Σε ένα πρόσφατο πείραμα παρόμοιο με τη φωτογραφία stop-motion, μια ομάδα επιστημόνων από τις Ηνωμένες Πολιτείες και τη Γερμανία κατέγραψε για πρώτη φορά «παγωμένα πλαίσια» ηλεκτρονίων που κινούνται σε υγρό νερό σε πραγματικό χρόνο και τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Science.
Εμπειρογνώμονες από την κριτική επιτροπή εξηγούν τα ερευνητικά αποτελέσματα των νικητών του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής 2023 στην ανακοίνωση του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής 2023 στη Στοκχόλμη, Σουηδία, 3 Οκτωβρίου 2023
Σύμφωνα με τους ειδικούς, το αποτέλεσμα σηματοδοτεί μια σημαντική πρόοδο στην πειραματική φυσική, παρέχοντας ένα παράθυρο στην ηλεκτρονική δομή των μορίων σε υγρά σε χρονικές κλίμακες που προηγουμένως δεν ήταν εφικτές με τις ακτίνες Χ. Προηγουμένως, οι επιστήμονες μπορούσαν να επιλύσουν την κίνηση των ηλεκτρονίων μόνο στη χρονική κλίμακα του picosecond (1 δευτερόλεπτο=1 τρισεκατομμύρια picoseconds). Τώρα, η ικανότητα μελέτης των ηλεκτρονικών αντιδράσεων των ακτίνων Χ που χτυπούν έναν στόχο σε κλίμακα attosecond επιτρέπει στους ερευνητές να εμβαθύνουν σε χημικές αντιδράσεις που προκαλούνται από την ακτινοβολία ένα εκατομμύριο φορές γρηγορότερα από προηγούμενες μεθόδους.
Όλες οι ενδείξεις δείχνουν ότι το λέιζερ attosecond μπορεί να είναι το κλειδί για το ξεκλείδωμα του μυστηριώδους κόσμου των ηλεκτρονικών.
Τι είναι το "attosecond";
Για τους απλούς ανθρώπους, το attosecond είναι μια εξαιρετικά περίεργη έννοια.
Στην πραγματικότητα, ήδη από την περίοδο των εμπόλεμων κρατών, ο διάσημος στοχαστής της Κίνας, το πτώμα Κάο πρόβαλε «τέσσερις πλευρές πάνω-κάτω είπε ο Yu, αρχαίος και σύγχρονος είπε ο Δίας», την απλή άποψη του χώρου και του χρόνου. Μέχρι σήμερα, στην πρώτη γραμμή της έρευνας της φυσικής, ο χώρος και ο χρόνος εξακολουθούν να είναι οι πιο σημαντικές και θεμελιώδεις δύο διαστάσεις.
Όσον αφορά τις ανθρώπινες αισθήσεις, όταν ένα αντικείμενο βρίσκεται σε γρήγορη κίνηση, οι εικόνες του θολώνουν και επικαλύπτονται και οι αλλαγές που συμβαίνουν σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα δεν μπορούν να παρατηρηθούν. Είναι επομένως σημαντικό για τους επιστήμονες να αναπτύξουν πιο ακριβή "παράθυρα χρόνου" για να συλλάβουν ή να απεικονίσουν αυτές τις πολύ σύντομες στιγμές.
Τον 19ο αιώνα, υπήρχε ένα πολυσυζητημένο και πολυσυζητημένο ερώτημα στη φυσική: όταν ένα άλογο τρέχει, φεύγουν και τα τέσσερα πόδια ταυτόχρονα από το έδαφος;
Ο Αμερικανός επιχειρηματίας Leland Stanford ενδιαφέρθηκε πολύ για αυτή την ερώτηση. Για να επαληθεύσει αυτή την εικασία, πλησίασε τον διάσημο φωτογράφο Edvard Muybridge. Εκείνες τις μέρες, η λειτουργία βίντεο δεν είχε ακόμη γεννηθεί, όταν ο χρόνος απόκρισης του κλείστρου της κάμερας ήταν 15 δευτερόλεπτα, μερικές φορές ακόμη και ένα λεπτό.
Τα άλογα δεν επιβράδυναν για να φροντίσουν το κλείστρο της κάμερας και οι οπλές τους που χτυπούσαν ήταν το μεγαλύτερο εμπόδιο για την επαλήθευση αυτής της υπόθεσης. Ο Edvard Maibridge δεν τα παράτησε τόσο εύκολα, είχε τη φαεινή ιδέα, όχι μόνο να βελτιώσει τη σχεδίαση του κλείστρου της κάμερας, αλλά και τοποθέτησε 12 κάμερες και μηχανισμούς στην πασαρέλα. Κάθε φορά που το άλογο πλησίαζε την κάμερα, ο μηχανισμός ενεργοποιούνταν και έβγαινε φωτογραφία. Στο τέλος συγκέντρωσε τις 12 φωτογραφίες, που είναι όλη η διαδικασία του τρεξίματος του αλόγου.
Βλέποντας τις ματισμένες φωτογραφίες, οι άνθρωποι βρήκαν σύντομα την απάντηση στην ερώτηση: όταν ένα άλογο τρέχει, μπορεί πράγματι να αιχμαλωτίσει μια στιγμή - τα τέσσερα πόδια του φεύγουν από το έδαφος ταυτόχρονα.
Στις 3 Οκτωβρίου 2023, η Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών ανακοίνωσε ότι είχε απονείμει το βραβείο Νόμπελ Φυσικής εκείνης της χρονιάς στους Pierre Agostini, Ferenc Krauss και Anne Lhuillier για την «πειραματική τους μέθοδο για τη δημιουργία παλμών φωτός attosecond για τη μελέτη της δυναμικής ηλεκτρόνια στην ύλη».
"Μπορούμε τώρα να ανοίξουμε την πόρτα στον κόσμο των ηλεκτρονίων. Η φυσική του Attosecond μας έδωσε την ευκαιρία να κατανοήσουμε τους μηχανισμούς του ηλεκτρονικού ελέγχου. Το επόμενο βήμα θα είναι να τους εκμεταλλευτούμε." Έτσι λέει η Εύα Όλσον, πρόεδρος της Επιτροπής Νόμπελ Φυσικής.
Όταν οι επιστήμονες βύθισαν την προοπτική τους στον κόσμο των ηλεκτρονίων, ανακάλυψαν ότι ο ρυθμός αλλαγής της θέσης και της ενέργειας κυμαίνεται μεταξύ ενός και πολλών εκατοντάδων ατοδευτερόλεπτων, όπου ένα αττοδευτερόλεπτο είναι ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Η τεχνολογία του παλμικού φωτός attosecond είναι η ταχύτερη χρονική κλίμακα που είναι διαθέσιμη αυτή τη στιγμή στην ανθρωπότητα, και μοιάζει με χάρακα, όσο πιο λεπτή είναι η κλίμακα του χάρακα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ακρίβεια του μετρήσιμου.
Ο Yuan Lanfeng, αναπληρωτής διευθυντής του Τμήματος Επικοινωνίας Επιστήμης και Τεχνολογίας, Σχολή Ανθρωπιστικών και Κοινωνικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, είπε ότι ο παλμός φωτός attosecond μπορεί να γίνει κατανοητός ως η αρχή της κάμερας υψηλής ταχύτητας και ότι φωτογραφική μηχανή με γρήγορη ταχύτητα αντίδρασης χρειάζεται για να απαθανατίσει τις υπέροχες στιγμές της διαδικασίας κίνησης ενός ατόμου. Ο παλμός φωτός attosecond είναι η «κάμερα υψηλής ταχύτητας» στην έρευνα μικροσκοπικής αντίδρασης.
Στο παρελθόν, το χρονικό όριο για τους παλμούς λέιζερ ήταν "femtoseconds", το οποίο ήταν αρκετό για να βλέπουν τα άτομα, αλλά για τα ηλεκτρόνια, η χρονική ανάλυση των "femtoseconds" ήταν τόσο αδρή που, σύμφωνα με αυτήν την κλίμακα, μπορούσε κανείς να λάβει μόνο εφέ σαν μωσαϊκό. Οι παλμοί συνεκτικού φωτός προχωρούν από Femtoseconds
Η πρόοδος των συνεκτικών παλμών φωτός από femtoseconds σε attoseconds δεν είναι μόνο μια απλή πρόοδος σε χρονική κλίμακα, αλλά το πιο σημαντικό, προωθεί την ικανότητα των ανθρώπων να μελετούν τη δομή της ύλης από την κίνηση των ατόμων και των μορίων στο εσωτερικό των ατόμων, όπου μπορούν να διερευνήσει τις συμπεριφορές κίνησης και συσχέτισης των ηλεκτρονίων, που θα οδηγήσει σε μια μεγάλη επανάσταση στη βασική έρευνα της φυσικής.
Τι θα φέρει το attosecond στους απλούς ανθρώπους;
Μια μέρα το 1999, ο Ahmed Xavier, καθηγητής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, κέρδισε το Νόμπελ Χημείας για την ανακάλυψή του. Η έρευνα του Xavier στη δεκαετία του 1980, χρησιμοποιώντας μια δέσμη λέιζερ για να κινηματογραφήσει τις ταλαντώσεις των ατόμων στη μεταβατική κατάσταση, βοήθησε τους επιστήμονες να παρατηρήσουν άτομα και μόρια στη διαδικασία των χημικών αντιδράσεων σε «αργή κίνηση» και έτσι να μελετήσουν τη φύση και τη δομή του μεταβατικό στάδιο. Για το λόγο αυτό, ο Xavier είναι επίσης γνωστός ως ο «πατέρας της χημείας του femtosecond».
Από τότε, οι επιστήμονες έχουν συνειδητοποιήσει ότι τα λέιζερ, όπως οι κεραυνοί, μπορούν να απαθανατίσουν αυτές τις φευγαλέες στιγμές. Αυτή η ανακάλυψη παρείχε τη θεωρητική βάση για μια σειρά διασπαστικών μελετών.
Σήμερα, η ταχύτητα αυτού του λέιζερ έχει αναβαθμιστεί κατά χίλιες φορές, πραγματοποιώντας με επιτυχία τη δραστική αλλαγή από femtoseconds σε attoseconds.
Στις μέρες μας, όταν οι άνθρωποι αναφέρουν το λέιζερ femtosecond, μπορούν συχνά να σκεφτούν τις πολλές εφαρμογές που αντιπροσωπεύει η χειρουργική επέμβαση μυωπίας με λέιζερ femtosecond. Και όταν πρόκειται για λέιζερ attosecond, φαίνεται δύσκολο να συνδεθεί αυτός ο όρος με την παραγωγική ζωή των απλών ανθρώπων.
Ο Yuan Lanfeng είπε ειλικρινά, "το λέιζερ ενός δευτερολέπτου δεν είναι πολύ χρήσιμο επί του παρόντος, η εφαρμογή του μόλις ξεκίνησε και εξακολουθεί να είναι κολλημένο στη βασική έρευνα." Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι ο παλμός φωτός attosecond δεν έχει δυνατότητα εφαρμογής, "ανοίγει μια πόρτα, αλλά αυτό που βρίσκεται πίσω από αυτήν την πόρτα χρειάζεται ακόμα να εξερευνήσουμε σε βάθος." Αυτός είπε.
Τι υπάρχει λοιπόν πίσω από αυτή την πόρτα;
Σύστημα αφαίρεσης παλμικού πεδίου που φωτογραφήθηκε στο περίπτερο της Medtronic στο τμήμα Ιατρικών Συσκευών και Υγείας της 6ης Έκθεσης στις 5 Νοεμβρίου 2023
«Η κίνηση των ηλεκτρονίων είναι υπεύθυνη για τη δημιουργία φωτός καθώς και για το σχηματισμό και τη διάσπαση χημικών δεσμών που αλλάζουν τη δομή των βιομορίων και τη λειτουργία τους στα ζωντανά συστήματα και για την επεξεργασία πληροφοριών όσο το δυνατόν γρηγορότερα ...... Σήμερα, χρησιμοποιούμε παλμούς φωτός attosecond για να κατανοήσουμε καλύτερα τις μικροσκοπικές διεργασίες που περιλαμβάνουν ηλεκτρόνια, άτομα και μόρια και να ανακαλύψουμε πώς επηρεάζουν τον μακροσκοπικό κόσμο». Νωρίτερα, αφού κέρδισε το Wolf Prize στη Φυσική, ο Ferenc Krauss δήλωσε την αξία των εφαρμογών της φυσικής attosecond με αυτόν τον τρόπο.
Η Eva Olson, από την άλλη, είπε ότι η φυσική attosecond μας δίνει την ευκαιρία να κατανοήσουμε τους μηχανισμούς του ηλεκτρονικού ελέγχου, ανοίγοντας το δρόμο για πιθανές εφαρμογές στη βιομηχανία ηλεκτρονικών πληροφοριών και την ιατρική.
Ο Wei Zhiyi, ερευνητής στο Ινστιτούτο Φυσικής της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, πιστεύει ότι η τεχνολογία μπορεί να συνδυαστεί με την υπεραγωγιμότητα, τα νανοϋλικά, τη βιομηχανία φωτοβολταϊκών, τα φαρμακευτικά προϊόντα, την ιατρική με λέιζερ και άλλους τομείς για να προωθήσει μια πιο εις βάθος κατανόηση της δομής της ύλης από την ανθρωπότητα, που θα οδηγήσει σε σχετικές επαναστατικές προόδους.
Αναμφίβολα, αν και η τρέχουσα εφαρμογή της φυσικής attosecond απέχει ακόμα από τη φαντασία ορισμένων ανθρώπων, έχει ένα εξαιρετικά ευρύ φάσμα σεναρίων εφαρμογής.
Παρέχει στην ανθρωπότητα ένα ζευγάρι «έξυπνων ματιών» για να μελετήσει τον μικροσκοπικό κόσμο.
Με την υποστήριξή του, πολλές μικροσκοπικές διεργασίες δεν θα απαιτούν πλέον την επιβεβαίωση «περιστασιακών αποδεικτικών στοιχείων», αλλά μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα: το λέιζερ attosecond μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη φωτογράφηση ποικίλων διαδικασιών κίνησης υψηλής ταχύτητας, όπως χημικές αντιδράσεις, μοριακής κλίμακας κίνηση και κίνηση ατομικής κλίμακας.
Η φωτογράφηση χημικών αντιδράσεων με λέιζερ attosecond μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τους μηχανισμούς αντίδρασης και να βελτιώσουν περαιτέρω τις χημικές διεργασίες. Η φωτογράφηση των κινήσεων των μορίων και των ατόμων με λέιζερ attosecond μπορεί να αποκαλύψει τις αλληλεπιδράσεις και τις κινητικές διαδικασίες τους, οι οποίες είναι σημαντικές για την έρευνα στην επιστήμη των υλικών και τη βιοεπιστήμη.
Στον τομέα της βιοϊατρικής, για παράδειγμα, η τεχνολογία απεικόνισης υψηλής ανάλυσης των παλμών attosecond αναμένεται να ενισχύσει την έγκαιρη διάγνωση και θεραπεία ασθενειών και να προσφέρει νέες ανακαλύψεις για τη μελέτη του καρκίνου, των νευρολογικών ασθενειών και άλλων μεγάλων ιατρικών προκλήσεων.
Είναι κατανοητό ότι η ομάδα Ferenc Krauss προσπαθεί επίσης να χρησιμοποιήσει τεχνικές femtosecond και attosecond για να αναλύσει δείγματα αίματος και να εντοπίσει μικρές αλλαγές σε αυτά. Αναλύουν εάν αυτές οι αλλαγές είναι αρκετά συγκεκριμένες ώστε να μπορούν να διαγνώσουν με σαφήνεια την ασθένεια στο αρχικό στάδιο της νόσου, αυτή η τεχνολογία μπορεί να έχει σημαντικό αντίκτυπο στη μελέτη του καρκίνου και άλλων δύσκολων ασθενειών.
Η επιτάχυνση της «εποχής attosecond»;
Το 2021, το περιοδικό Science δημοσίευσε τα «125 από τα πιο αιχμής επιστημονικά προβλήματα στον κόσμο», από τα οποία περισσότερα από 10 πρέπει να επιλυθούν από την εξαιρετικά γρήγορη επιστήμη. Η εμφάνιση παλμών attosecond αναμένεται να οδηγήσει σε πιο πρωτότυπες καινοτομίες σε διάφορους τομείς της επιστημονικής και εφαρμοσμένης έρευνας.
Το λέιζερ attosecond, όχι ένα δώρο της φύσης, αλλά ένα ανθρωπογενές θαύμα.
Η Γαλλίδα φυσικός Anne Lhuillier ήταν η πρώτη που ανακάλυψε τα εργαλεία για να ανοίξει τον κόσμο των ατοδευτερόλεπτων. Το 1987, έκανε πειράματα ιονισμού αερίου, το μήκος κύματος των 1064 νανόμετρων φωτός λέιζερ σε αργό και πολλά άλλα σπάνια αέρια, το αέριο φαινόταν να έχει διαφορετικό χρώμα από προηγούμενα πειράματα.
Στη συνέχεια δημοσίευσε μια βασική εργασία, ανακαλύπτοντας το φαινόμενο των υψηλών αρμονικών που δημιουργούνται από ισχυρή ακτινοβολία λέιζερ ευγενών αερίων και έλαβε την τυπική φασματική δομή των υψηλών αρμονικών, το φασματικό πλάτος της οποίας ήταν σε θέση να υποστηρίξει παλμούς της τάξης των ατοδευτερόλεπτων, παρέχοντας τις προαπαιτούμενες συνθήκες για τη διέλευση των παλμών λέιζερ στα ατοδευτερόλεπτα. Έκτοτε, η ερευνητική της καριέρα και τα λέιζερ attosecond ήταν στενά συνυφασμένα και 16 χρόνια αργότερα, οδήγησε μια ομάδα ερευνητών για να θέσει ένα παγκόσμιο ρεκόρ για τον μικρότερο παλμό λέιζερ 170 attosecond.
Οι δύο άλλοι επιστήμονες που κέρδισαν το Νόμπελ Φυσικής μαζί της έχουν προσθέσει επίσης στο «κτήριο attosecond»: Ο Ούγγρος Ferenc Kraus οδήγησε μια ομάδα ερευνητών να δημιουργήσει και να μετρήσει τον πρώτο παλμό φωτός attosecond το 2001 και τον χρησιμοποίησε για να καταγράψει το κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στα άτομα, που σηματοδοτεί τη γέννηση της φυσικής του ατοδευτερόλεπτου. Επιπλέον, η ομάδα του κατάφερε να απομονώσει παλμούς διάρκειας 650 ατοδευτερόλεπτων, την πρώτη φορά που οι επιστήμονες παρακολούθησαν με επιτυχία την αποκόλληση ηλεκτρονίων από άτομα. Ο Γάλλος Pierre Agostini, ηγέτης στην αλληλεπίδραση λέιζερ ισχυρού πεδίου με άτομα, και η ομάδα του πρωτοστάτησαν στη φυσική του attosecond δημιουργώντας και μετρώντας παλμούς φωτός attosecond για πρώτη φορά και χρησιμοποιώντας τους για να συλλάβουν την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στα άτομα.
Σήμερα, περισσότεροι επιστήμονες ανταγωνίζονται για την πρώτη θέση στον τομέα σε πολλά μέρη του κόσμου.
Στο εργαστήριο, τα γόνιμα αποτελέσματα είναι συχνά: το 2022, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και το Πανεπιστήμιο του Ρέγκενσμπουργκ στη Γερμανία συνεργάστηκαν για να συλλάβουν την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα σε μερικές εκατοντάδες ατοδευτερόλεπτα, τη μεγαλύτερη ταχύτητα μέχρι στιγμής.
Την ίδια χρονιά, μια ομάδα ερευνητών από το Κέντρο Προηγμένης Φωτονικής στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Χημείας RIKEN στην Ιαπωνία και το Πανεπιστήμιο του Τόκιο συνεργάστηκαν για την ανάπτυξη ενός νέου τύπου συμβολόμετρου για την αντιμετώπιση κροσσών που προκύπτουν από οπτικές παρεμβολές που προέρχονται από παλμούς attosecond. και κβαντική παρεμβολή με ηλεκτρονικές καταστάσεις στην ύλη. Έδειξαν τη σκοπιμότητα του σχήματος συμβολόμετρου με μεταγεννητική διάσπαση παλμών υψηλών αρμονικών μέσω πειραμάτων χρησιμοποιώντας δείγματα ατόμων ηλίου.
Επιπλέον, έχει ξεκινήσει διεθνής κατασκευή και ανταγωνισμός για εγκατάσταση λέιζερ attosecond. Υποστηριζόμενος από τον βραβευμένο με Νόμπελ φυσικό Gérard Mourou και άλλους, η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει πρωτοστατήσει στην Ουγγαρία στην κατασκευή του European Extreme Light Facility-Altosecond Light Source (ELI-ALPS) και έχει προωθήσει την κατασκευή διεθνούς φήμης εταιρειών όπως ως Fastlite, Active Fiber και Light Conversion. Εταιρείες τεχνολογίας λέιζερ όπως η Fastlite, η Active Fiber, η Light Conversion και άλλες διεθνούς φήμης επανάληψη και αναβάθμιση προϊόντων, αυτή η τεχνολογία λέιζερ νέας γενιάς θα διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην προηγμένη κατασκευή, στην επιστήμη και τεχνολογία της εθνικής άμυνας και σε άλλους τομείς.
Στην Κίνα, σχετικές επιστημονικές ερευνητικές μονάδες πραγματοποιούν κατασκευή υποδομών πηγών φωτός attosecond σε μεγάλη κλίμακα, όπως το Ινστιτούτο Φυσικής της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών και το Εργαστήριο Υλικών της Λίμνης Songshan στο Dongguan, στην επαρχία Guangdong, στη λίμνη Songshan για την κατασκευή του attosecond επιστημονικό κέντρο. Εννοείται ότι μετά την ολοκλήρωση του κέντρου αυτού αναμένεται να επιτευχθούν οι διεθνείς κορυφαίοι συνολικοί δείκτες.
