Jak głosi oficjalny komunikat Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk, nagrodę otrzymali Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier za „metody eksperymentalne pozwalające na generowanie attosekundowych impulsów światła w celu badania dynamiki elektronów w materii”.
Biorąc pod uwagę to, że Noble z fizyki wręczano za przełomy takie jak odkrycie radioaktywności (1903), stworzenie mechaniki kwantowej (1932) albo potwierdzenie przyspieszającego rozszerzania się Wszechświata (2011), można by tegoroczną nagrodę zbagatelizować. Ot, ktoś tam wymyślił, jak błyskać laserem nieco szybciej niż poprzednicy. Nic bardziej mylnego.
Za co dokładnie ta nagroda? Rozłóżmy oficjalne, lakoniczne obwieszczenie na czynniki pierwsze.
Attosekunda to jedna trylionowa sekundy, a więc ułamek tak drobny, że wymyka się wszelkim intuicjom. Gdyby zacząć od sekundy i wędrować po drabinie kolejnych jej ułamków, zawsze tysiąckrotnie mniejszych od poprzedniego, uzyskalibyśmy następującą sekwencję: sekunda, milisekunda, mikrosekunda, nanosekunda, pikosekunda, femtosekunda… i dopiero tutaj attosekunda. Dość powiedzieć, że w jednej sekundzie mieści się mniej więcej tyle attosekund, ile sekund mieści się w całej dotychczasowej historii Wszechświata.
W skali femto- i attosekund atomy wykonują pojedyncze drgnienia i wchodzą w reakcje chemiczne.
– Gdy spojrzy się bliżej na cząsteczkę chemiczną, to dochodzi tam do wielu interesujących procesów. Przykładowo elektrony przemieszczają się z jednej jej strony na drugą – wyjaśnia prof. Jakub Zakrzewski z Zakładu Optyki Atomowej UJ. – To zjawisko zachodzi w skali femtosekund. Żeby je zaobserwować, trzeba stosować impulsy krótsze, a więc liczone w attosekundach – dodaje.
Pomyślmy o fleszu w aparacie fotograficznym. Gdy chcemy sfotografować proces pstrykania palcami – którego kluczowy etap, czyli lot palca środkowego ku poduszce u nasady kciuka, trwa kilka tysięcznych sekundy – potrzebujemy urządzenia generującego błyski trwające przynajmniej tak krótko. W przeciwnym razie wszelkie detale tego procesu rozmyją się na fotografii i wymkną się naszemu poznaniu. I tak właśnie jeszcze do niedawna było z przebiegiem reakcji chemicznych.
Historia tegorocznego Nobla zaczęła się od laserów. W latach 80. minionego wieku wyszło na jaw, że gdy poświeci się laserem w przezroczysty zbiornik wypełniony odpowiednio dobranym gazem, to atomy tego gazu ułamek sekundy później oddadzą uzyskaną od światła laserowego energię w postaci serii krótkich błysków. Czysto teoretycznie, jak się zdawało, dałoby się wykorzystać ten proces do oświetlania zjawisk atomowych. Na całym świecie w ośrodkach badań nad laserami odkrycie to wywołało spore poruszenie i ruszyły dalsze badania. Z jednej strony pracowali teoretycy, próbując zrozumieć, jakie konkretnie procesy fizyczne odpowiadają za te błyski i co mówi nam matematyka. Z drugiej – doświadczalnicy, z których troje otrzymało właśnie Nagrodę Nobla.
Anne L’Huillier, jedna z trojga tegorocznych laureatek, w latach 90. XX w. przewodziła grupie badawczej, która w Saclay pod Paryżem starała się coraz lepiej kontrolować błyski produkowane przez oświetlony laserem gaz. W 1994 r. była też współautorką jednego z najważniejszych artykułów teoretycznych na temat laserowego generowania ultraszybkich błysków. Co ciekawe, pierwszym autorem tego kluczowego artykułu był Polak, Maciej Lewenstein.
– Na nieszczęście dla Polaków tegoroczna Nagroda Nobla jest za część doświadczalną – mówi prof. Zakrzewski. – Gdyby nagradzać osoby, które przyczyniły się do tych samych odkryć, ale od strony teoretycznej, to na krótkiej liście głównych zasłużonych, obok takich osób jak Kenneth Kulander i Paul Corkum, na pewno znalazłby się Maciej Lewenstein.
Na początku lat 90. coraz więcej zespołów z całego świata nauczyło się generować tak interesujące wszystkich błyski. W 1997 r. Ferenc Krausz – drugi tegoroczny noblista – wytworzył w Wiedniu rekordowo wówczas krótki błysk trwający 4,5 femtosekundy (czyli 4500 attosekund). W 2001 r. dwie grupy niemal równocześnie ogłosiły przekroczenie bariery 1 femtosekundy, czyli wkroczenie w świat attosekund. Krausz wraz ze swoim wiedeńskim zespołem ogłosił wyprodukowanie błysku 650-attosekundowego, a w podparyskim Saclay 250-attosekundowe błyski wywołała grupa pod przewodnictwem Pierre’a Agostiniego, który domyka nam listę nowych noblistów. Aktualny rekord, nawiasem mówiąc, to 43 attosekundy.
Fizyka to oczywiście znacznie więcej niż tylko czysto ilościowe przepychanki po rekordowy wynik.
– Ferenc Krausz był pierwszym człowiekiem, który wygenerował naprawdę pojedynczy impuls attosekundowy. Dopiero izolowanym impulsem można coś zbadać – jeśli uderzamy w cząsteczkę ciągiem następujących po sobie błysków, to nie tak łatwo jest później stwierdzić, jak przebiegał interesujący nas proces – tłumaczy prof. Zakrzewski.
Prosta analogia: wyobraźmy sobie, jak by wyglądało zdjęcie, gdyby lampa błyskowa naszego aparatu wykonywała kilkanaście szybkich błysków, jak stroboskop, w czasie gdy migawka jest otwarta. Na jednej i tej samej kliszy znalazłoby się wtedy kilkanaście nałożonych na siebie obrazów.
Tak też było z początku z laserowymi błyskami, które generowane są w długich seriach. Potrzebne były lata badań nad wyrafinowanymi układami optycznymi, aby z tego typu serii udało się „wyciąć” pojedynczy błysk. Opisy układów eksperymentalnych Krausza czyta się z niedowierzaniem. Gdy w 1997 r. jego grupa badawcza wygenerowała wspomniany wyżej rekordowy 4,5-femtosekundowy błysk, wymagało to przepuszczenia wytworzonego przez laser promieniowania – obok wielu innych elementów – przez rurkę o długości 60 cm i średnicy wewnętrznej jednej szóstej milimetra, wypełnioną mieszaniną argonu i kryptonu, zamkniętą w specjalnej komorze pod wysokim ciśnieniem.
Kolejnym problemem do rozwiązania było samo potwierdzenie, że naprawdę udało się wygenerować zjawisko tak krótkotrwałe. W 1994 r. Agostini wraz ze współpracownikami dostarczył drugiej kluczowej cegiełki dla „fizyki attosekundowej”: opisał nowe zjawisko optyczne – oraz opartą na nim metodę o nazwie RABBIT – pozwalające na mierzenie czasu trwania ultrakrótkich błysków światła. Cóż nam bowiem po instrumencie, którego wydajności nie jesteśmy w stanie niezależnie zmierzyć?
Fizyka attosekundowa to dziś wciąż żywy, dynamicznie rozwijający się obszar badawczy. Dzięki badaniom w skali attosekund coraz lepiej poznajemy przebieg reakcji chemicznych, anatomię atomów, procesy zachodzące w maleńkich bryłkach materii, a także uczymy się manipulować materią w skali atomowej. Pośród konkretnych zastosowań attosekundowych błysków często wymienia się medycynę, a właściwie farmakologię. Czasem mikroskopijne detale budowy lub zachowania związków chemicznych przekładają się na ich aktywność w organizmie ludzkim. W ostatnich latach pod lupą fizyków atomowych znalazły się ibuprofen oraz naproksen, które łączy ciekawa właściwość: obydwa występują w dwóch bliźniaczych chemicznie postaciach, z których tylko jedna ma pożądaną właściwość. Dzięki nowym metodom zaglądania do wnętrza cząsteczek zaczynamy powoli rozumieć, co właściwie za ten fakt odpowiada.
Łatwo też sobie wyobrazić, jak ważna jest drobiazgowa wiedza o atomach w XXI w., gdy zeszliśmy już z nanotechnologią do poziomu kwantowego. W komputerach kwantowych o ich poprawnym funkcjonowaniu może decydować pojedynczy przeskok elektronowy: intymny wgląd w najdrobniejsze szczegóły ich funkcjonowania jest więc na wagę złota. Podobne potrzeby zgłaszają nanotechnolodzy, którzy próbują tworzyć molekularne „maszynki”, np. silniki lub przełączniki zbudowane z pojedynczych cząsteczek chemicznych. W tej skali jeden atom potrafi pełnić funkcję śrubki, koła zębatego lub zawiasu.
Tegoroczny Nobel świetnie pokazuje więc zasadniczą jedność nauki: te wszystkie dziwaczne na pozór zabawy z przepuszczaniem światła laserowego przez gazy szlachetne zamknięte w cienkich jak włos rurkach przekładają się ostatecznie na lepsze lekarstwa i sprawniejsze komputery. ©℗
Tekst zaktualizowano 11 października 2023 r.
Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Masz konto? Zaloguj się
365 zł 95 zł taniej (od oferty "10/10" na rok)
