A 2023-as fizikai Nobel-díj és a kolozsvári kutatások

A 2023-as fizikai Nobel-díj és a kolozsvári kutatások

A 2023-as fizikai Nobel-díjat megosztva ítélték oda Krausz Ferencnek, Pierre Agostininek és Anne L’Huillier-nek „kísérleti módszereikért, melyek az anyagban jelen levő elektronok dinamikájának vizsgálatában alkalmazható attoszekundumos fényimpulzusokat generálnak”. Anne L’Huillier 1987-ban végzett kísérletében kimutatta azt, hogy nemesgáz atomokat infravörös lézernyalábbal megvilágítva nagy energiájú fényrészecskék (fotonok) keletkeznek, amelyek energiája a gerjesztő lézernyaláb fotonenergiájának többszöröse. Ez a folyamat a felharmonikusok keltése (HHG – high harmonics generation). Nemesgázban keltett HHG egyik tulajdonsága, hogy az alacsonyabb rendű felharmonikusoknál megfigyelt gyors intenzitáscsökkenés után magasabb rendű felharmonikusok intenzitása csak kismértékben csökken, létrehozva a HHG spektrum platóját.
Közvetlenül Anne L’Huillier felfedezését követően felmerült annak a lehetősége, hogy a HHG spektrum platójához tartozó fotonok felhasználhatóak lehetnének nagyon rövid (attoszekundum hosszúságú) fényimpulzusok előállításához. Ennek megvalósításhoz biztosítani kell azt, hogy a nemesgáz közeg egyes atomjai által kibocsájtott HHG fotonjai fázisban rezegjenek. Ezt a technikai akadályt sikerült Krausz Ferenc-nek és Pierre Agostini-nek legyőznie 2001-ben, amikor a HHG fotonok szinkronizálásával sikerült, egymástól függetlenül, attoszekundumos fényimpulzusokat előállítaniuk. Ahhoz, hogy ezen impulzusok előállítását bizonyítani tudják, mindketten kidolgoztak egy új mérési módszert, amely segítségével meghatározhatták az előállított impulzusok hosszát. Ezen módszerek napjaink lézerfizikájában alapmódszerekké váltak. Ha egy időbeli folyamatot vizsgálni, befolyásolni, esetleg irányítani szeretnénk, akkor szükségünk van egy olyan eszközre, amely hatását olyan időskálán fejti ki, amely a befolyásolandó folyamat karakterisztikus idejénél rövidebb. Az atomokon és molekulákon belül található elektronok mozgásának karakterisztikus ideje az attoszekundumok tartományában található, így az attoszekundumos lézerimpulzusok ideális eszközök a molekulákon és atomokon belüli elektronmozgás vizsgálatára és irányítására. Ennek nagy jelentősége van az alapkutatásban, mivel az atomok és molekulák belsejében lezajló folyamatokat vizsgálhatóvá válnak. Alapkutatási jelentőségük mellett az attoszekundumos lézerimpulzusoknak számos alkalmazása lehet, ezek közül egyik legkézenfekvőbb
alkalmazás a molekulák elektronfelhőjének manipulálása, amely révén a kémiai folyamatok (reakciók, molekulák disszociációja stb.) befolyásolhatók. Attoszekundumos fényimpulzusokhoz kapcsolódó elméleti kutatásokat a Kolozsvári Akadémiai Bizottsághoz köthető kutatók is végeznek. Az INCDTIM (Molekuláris- és Izotóp-technológiák Kutatási és Fejlesztési Intézete) kutatói (Kovács Katalin, Valer Toșa, Tóth István) vizsgálják az attoszekundumos lézerimpulzusokat előállító közegben létrejövő plazma viselkedését, valamint azt, hogy ez a plazma hogyan befolyásolja a létrejövő fényimpulzusok paramétereit. Ugyancsak a INCDTIM munkatársai algoritmusokat fejlesztenek az attoszekundumos fényimpulzusokat jellemző mérési módszerek adatainak automatikus feldolgozására. A Babeș-Bolyai Tudományegyetem Fizika Karának oktatói (Borbély Sándor, Nagy László) elméleti számolásokat végeznek, amelyek során vizsgálják az attoszekundumos fényimpulzusok által atomokban indukált elektronfolyamatokat. Ezek közül kiemelhető az attoszekundumos lézerimpulzusok által létrehozott fotoelektron hologramok keletkezésének és tulajdonságainak vizsgálata.

KÉP:

Különböző atomok attoszekundumos lézerimpulzusok által létrehozott fotoelektron hologramjai [S. Borbély et al, Phys. Rev. A 99, 013413 (2019)].

A 2023-as fizikai Nobel-díj és a kolozsvári kutatások

A 2023-as fizikai Nobel-díjat megosztva ítélték oda Krausz Ferencnek, Pierre Agostininek és Anne L’Huillier-nek „kísérleti módszereikért, melyek az anyagban jelen levő elektronok dinamikájának vizsgálatában alkalmazható attoszekundumos fényimpulzusokat generálnak”. Anne L’Huillier 1987-ban végzett kísérletében kimutatta azt, hogy nemesgáz atomokat infravörös lézernyalábbal megvilágítva nagy energiájú fényrészecskék (fotonok) keletkeznek, amelyek energiája a gerjesztő lézernyaláb fotonenergiájának többszöröse. Ez a folyamat a felharmonikusok keltése (HHG – high harmonics generation). Nemesgázban keltett HHG egyik tulajdonsága, hogy az alacsonyabb rendű felharmonikusoknál megfigyelt gyors intenzitáscsökkenés után magasabb rendű felharmonikusok intenzitása csak kismértékben csökken, létrehozva a HHG spektrum platóját.
Közvetlenül Anne L’Huillier felfedezését követően felmerült annak a lehetősége, hogy a HHG spektrum platójához tartozó fotonok felhasználhatóak lehetnének nagyon rövid (attoszekundum hosszúságú) fényimpulzusok előállításához. Ennek megvalósításhoz biztosítani kell azt, hogy a nemesgáz közeg egyes atomjai által kibocsájtott HHG fotonjai fázisban rezegjenek. Ezt a technikai akadályt sikerült Krausz Ferenc-nek és Pierre Agostini-nek legyőznie 2001-ben, amikor a HHG fotonok szinkronizálásával sikerült, egymástól függetlenül, attoszekundumos fényimpulzusokat előállítaniuk. Ahhoz, hogy ezen impulzusok előállítását bizonyítani tudják, mindketten kidolgoztak egy új mérési módszert, amely segítségével meghatározhatták az előállított impulzusok hosszát. Ezen módszerek napjaink lézerfizikájában alapmódszerekké váltak. Ha egy időbeli folyamatot vizsgálni, befolyásolni, esetleg irányítani szeretnénk, akkor szükségünk van egy olyan eszközre, amely hatását olyan időskálán fejti ki, amely a befolyásolandó folyamat karakterisztikus idejénél rövidebb. Az atomokon és molekulákon belül található elektronok mozgásának karakterisztikus ideje az attoszekundumok tartományában található, így az attoszekundumos lézerimpulzusok ideális eszközök a molekulákon és atomokon belüli elektronmozgás vizsgálatára és irányítására. Ennek nagy jelentősége van az alapkutatásban, mivel az atomok és molekulák belsejében lezajló folyamatokat vizsgálhatóvá válnak. Alapkutatási jelentőségük mellett az attoszekundumos lézerimpulzusoknak számos alkalmazása lehet, ezek közül egyik legkézenfekvőbb
alkalmazás a molekulák elektronfelhőjének manipulálása, amely révén a kémiai folyamatok (reakciók, molekulák disszociációja stb.) befolyásolhatók. Attoszekundumos fényimpulzusokhoz kapcsolódó elméleti kutatásokat a Kolozsvári Akadémiai Bizottsághoz köthető kutatók is végeznek. Az INCDTIM (Molekuláris- és Izotóp-technológiák Kutatási és Fejlesztési Intézete) kutatói (Kovács Katalin, Valer Toșa, Tóth István) vizsgálják az attoszekundumos lézerimpulzusokat előállító közegben létrejövő plazma viselkedését, valamint azt, hogy ez a plazma hogyan befolyásolja a létrejövő fényimpulzusok paramétereit. Ugyancsak a INCDTIM munkatársai algoritmusokat fejlesztenek az attoszekundumos fényimpulzusokat jellemző mérési módszerek adatainak automatikus feldolgozására. A Babeș-Bolyai Tudományegyetem Fizika Karának oktatói (Borbély Sándor, Nagy László) elméleti számolásokat végeznek, amelyek során vizsgálják az attoszekundumos fényimpulzusok által atomokban indukált elektronfolyamatokat. Ezek közül kiemelhető az attoszekundumos lézerimpulzusok által létrehozott fotoelektron hologramok keletkezésének és tulajdonságainak vizsgálata.

KÉP:

Különböző atomok attoszekundumos lézerimpulzusok által létrehozott fotoelektron hologramjai [S. Borbély et al, Phys. Rev. A 99, 013413 (2019)].