Fotografowanie atomów

Femtosekunda jest mniej więcej tyle razy krótsza od sekundy, ile razy sekunda jest krótsza od wieku Wszechświata. Tyle trwa impuls laserowy, który pozwala nie tylko podglądać przebieg reakcji chemicznych, ale i wpływać na nie.

01.06.2009

Czyta się kilka minut

Układ laserowy do badania femtosekundowej dynamiki cząsteczek (u dołu) i serce lasera femtosekundowego: kryształ szafiru z domieszką tytanu (u góry). Laboratorium Procesów Ultraszybkich Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW. /fot. Piotr Fita /
Układ laserowy do badania femtosekundowej dynamiki cząsteczek (u dołu) i serce lasera femtosekundowego: kryształ szafiru z domieszką tytanu (u góry). Laboratorium Procesów Ultraszybkich Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW. /fot. Piotr Fita /

Kiedy pytam studentów, czym jest światło, większość potrafi lepiej lub gorzej wyrecytować formułkę o jego falowo-korpuskularnej naturze. Jeśli jednak pójdziemy z pytaniami dalej i głębiej, okazuje się, że docieramy ostatecznie do innej odpowiedzi: światło to fascynujący fenomen natury.

W otaczającym nas świecie mamy do czynienia z rozmaitymi źródłami światła: od promieniowania pochodzącego ze Słońca, które dostarcza energii znakomitej większości form życia na Ziemi, przez płomień świecy, żar ogniska, po egzotyczne przykłady jak odwłok świetlika czy przedziwne organy żyjących w głębinach oceanów ryb. Do niedawna były to jedyne znane źródła, bo i żarówka, i uliczny neon wytwarzają światło w procesach podobnych do tych, jakie zachodzą w płomieniu oliwnej lampki czy rozgrzanej przez kowala do białości sztabie metalu.

Laser - od kakofonii do unisono

Teorię promieniowania laserowego rozwinął Albert Einstein w drugiej dekadzie XX wieku. Dopiero 40 lat później, w 1960 r. Theodore Maiman z Hughens Research Laboratories w Kalifornii zademonstrował pierwszy działający laser (rubinowy). Akronim, który na stałe wszedł do potocznego języka, powstały od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania) sygnalizuje, że mamy do czynienia z zupełnie nową jakością, jeśli idzie o mechanizmy powstawania światła. Od tego czasu technologia laserowa eksplodowała w najrozmaitszych dziedzinach życia i nie sposób wyobrazić sobie bez niej dzisiejszej cywilizacji.

Dzięki podobieństwom między światłem i dźwiękiem możemy posłużyć się analogiami muzycznymi, by przedstawić obrazowo zjawiska odpowiedzialne za powstawanie światła laserowego. Wyobraźmy sobie upiorny chór, w którym każdy potrafi, co prawda, zaśpiewać swoją partię, ale nie zwraca przy tym zupełnie uwagi na innych wykonawców - zaczyna, kiedy mu się podoba, czasem robi przerwy, ziewa, kicha albo odwraca się tyłem do widowni. Tak właśnie świecą atomy w rozgrzanych substancjach: gazy w koronie Słońca czy metal we włóknie żarówki - atomy nie wiedzą nic o sobie nawzajem i wyświecają energię (pochodzącą, odpowiednio z reakcji jądrowych bądź płynącego prądu) w procesie nazywanym "emisją spontaniczną", podobnie jak spontanicznie zachowują się koszmarni śpiewacy. W ośrodku laserowym (może to być gaz, ciecz, odpowiednio domieszkowany kryształ albo złącze półprzewodnikowe) atomy są jak zdyscyplinowani muzycy, obdarzeni w dodatku świetnym słuchem - kiedy pierwszy zaczyna swoją partię, pozostali przyłączają się doń dopiero, gdy usłyszą dobrze jego głos. Tak przebiega proces emisji wymuszonej - tu kolejne atomy nie biorą udziału w emisji światła, póki nie zostaną do tego zachęcone przez promieniowanie pochodzące od sąsiadów. W ten sposób, w końcu, cały chór może zaśpiewać czysto i mocno (jak w jednej z końcowych scen "Jak w raju" Kaya Pollaka).

Własności emisji wymuszonej na poziomie atomów przekładają się na właściwości światła laserowego: ma ono postać smukłej wiązki (śpiewacy emitują głos w jednym kierunku), może zawierać jedynie określone barwy (muzycy słuchają się nawzajem i dostrajają swoje głosy), wreszcie - może osiągać niesłychanie wysokie natężenia (chórzyści nie marnują energii na indywidualne popisy). Te właśnie cechy wykorzystujemy tam, gdzie używane są lasery: możliwość ogniskowania wiązki do niezwykle małych rozmiarów w technikach zapisu i przechowywania informacji, wydajną generację światła o wybranej barwie w próbkowaniu skażeń środowiska, ogromne natężenia - w laserowych skalpelach i spawarkach.

Krótko, coraz krócej

Światło laserowe możemy modulować tak, by uzyskać impulsy. Właściwa człowiekowi chęć rywalizacji zaowocowała wyścigiem do uzyskania coraz krótszych błysków światła. W latach 70. za ultrakrótkie uznawano impulsy pikosekundowe (trwające jedną bilionową część sekundy), dziesięć lat później do dyspozycji były już błyski dziesięć razy krótsze, a od około dwóch dekad dysponujemy laserami femtosekundowymi (femto- to przedrostek oznaczający jedną miliardową jednej milionowej). Jak to zresztą w nauce bywa, radykalny postęp dokonał się tu przez przypadek, kiedy w 1989 r. na Uniwersytecie St. Andrews w Szkocji laser szafirowy, nad którym pracowali badacze z grupy prof. Wilsona Sibbetta, zaczął generować ultrakrótkie impulsy po tym, jak jeden ze studentów upuścił na stół śrubokręt. Tak przynajmniej głosi dwudziestowieczna szkocka legenda. Wracając do naszej analogii z chórem, otrzymanie naprawdę krótkich impulsów jest możliwe, jeśli każdy z muzyków zaśpiewa ton o nieco innej wysokości - ich współbrzmienie (dudnienia) będzie miało postać krótkich impulsów. Im więcej śpiewaków włączymy do chóru, tym krótsze impulsy możemy wygenerować. Technika ta, nazywana synchronizacją modów lasera (mode-locking), jest obecnie podstawą działania wszystkich układów wytwarzających ultrakrótkie, femtosekundowe błyski światła.

Podobnie jak dla naszej wyobraźni niewiele oznacza miliard kilometrów albo jedna bilionowa grama, tak samo trudno uchwycić, jak krótka jest femtosekunda. Często przywołujemy przykład, że femtosekunda jest mniej więcej tyle razy krótsza od sekundy, ile razy sekunda jest krótsza od wieku Wszechświata. Nie jestem wszak przekonany, że to porównanie do czegokolwiek nas przybliża...

Mając do dyspozycji femtosekundowe impulsy laserowe, możemy je wykorzystać na dwa sposoby. Po pierwsze możemy użyć ich jak migawki, czy jeszcze lepiej lampy błyskowej w aparacie fotograficznym, która pozwala utrwalić w bezruchu bardzo szybkie procesy. Okazuje się, że aby badać, jak zachowują się atomy w cząsteczkach podczas reakcji chemicznych, potrzebujemy błysków o czasie trwania dziesiątek femtosekund. Za pionierskie prace w nowej dyscyplinie - femtochemii - Ahmed Zewail z California Institute of Technology został uhonorowany w 1999 r. Nagrodą Nobla. Poznanie ultraszybkiej dynamiki cząsteczek przybliżyło nas, między innymi, do zrozumienia procesów zachodzących we wczesnych stadiach fotosyntezy oraz w siatkówce ludzkiego oka. Przy pomocy odpowiednio ukształtowanych impulsów możemy nie tylko podglądać, ale i wpływać na przebieg reakcji chemicznych, kierując nimi tak, by podążały w zadanym kierunku. Zaawansowane badania nad femtosekundową dynamiką cząsteczek są prowadzone między innymi w Laboratorium Procesów Ultraszybkich Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW oraz na Wydziale Fizyki UAM w Poznaniu.

Bilion watów na stole

Po drugie, w impulsie laserowym możemy mieć do dyspozycji nieosiągalne innymi metodami natężenia światła. Dość uświadomić sobie, że największa w Polsce (i największa w Europie spośród spalających węgiel brunatny) elektrownia Bełchatów ma moc maksymalną bliską

4,5 miliarda watów (4,5 GW). Z femtosekundowego wzmacniacza laserowego, zaprojektowanego i zbudowanego w Centrum Laserowym Instytutu Chemii Fizycznej w Warszawie, mieszczącego się na jednym stole, możemy od niedawna uzyskać moc powyżej 2 bilionów watów (terawatów), czyli kilkaset razy więcej. Co prawda jedynie przez bardzo krótką chwilę, ale już to wystarcza, by badać niezwykłe zachowanie materii w oddziaływaniu ze światłem w ekstremalnych warunkach. Impulsów światła o wielkich natężeniach można używać do precyzyjnej obróbki materiałów w mikroskali, źródłach promieniowania rentgenowskiego o bardzo wysokiej jasności. Są one też kandydatem do realizacji zapłonu fuzji w reaktorach termojądrowych przyszłości.

***

Wyścig po najkrótsze impulsy trwa: kilka lat temu fizycy z Instytutu Maxa Plancka w Garching (Niemcy) zademonstrowali pierwsze wyniki pomiarów z użyciem impulsów attosekundowych (atto- to 10-18 - tysiąc razy mniej niż femto). Przy ich pomocy wkraczamy na zupełnie nowe, niedostępne dotychczas bezpośredniemu poznaniu, terytoria: staje się możliwe śledzenie już nawet nie zachowań atomów w cząsteczkach, lecz elektronów w atomach. Możliwości badania dynamiki procesów wewnątrzatomowych odsłonią zapewne już niedługo przed badaczami światy, o których nam się nie śniło. A kolejne pokolenia będą uczyć się nowych przedrostków oznaczających ułamki attosekund.

Dr PIOTR WASYLCZYK jest adiunktem na Wydziale Fizyki UW. Pracuje w Laboratorium Procesów Ultraszybkich w grupie prof. Czesława Radzewicza, głównie nad wytwarzaniem, pomiarami i zastosowaniami ultrakrótkich impulsów laserowych. Ostatnio przebywał na stażu na uniwersytecie w Oksfordzie. Jest stypendystą Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]

Artykuł pochodzi z numeru TP 23/2009