Нобелевскую премию по физике присудили за «дверь в мир электронов»

Тройка ученых, которым присудили в 2023 году Нобелевскую премию по физике, продемонстрировали способ создания чрезвычайно коротких импульсов света, которые можно использовать для измерения быстрых процессов, в ходе которых электроны перемещаются или изменяют энергию.

Итак, награду получат Пьер Агостини (Университет штата Огайо, Колумбус, США), Ференц Краус (Институт квантовой оптики Макса Планка, Гархинг, и Мюнхенский университет Людвига-Максимилиана, Германия) и француженка по происхождению Анна Л'Юилье (Лундский университет, Швеция) – “за экспериментальные методы, генерирующие аттосекундные импульсы света для изучения динамики электронов в веществе”.

Ученые получили признание за свои эксперименты, которые дали человечеству новые инструменты для исследования мира электронов внутри атомов и молекул. Пьер Агостини, Ференц Краус и Анна Л'Юилье продемонстрировали способ создания чрезвычайно коротких импульсов света, которые можно использовать для измерения быстрых процессов, в ходе которых электроны перемещаются или изменяют энергию.

Быстродвижущиеся события перетекают друг в друга, когда воспринимаются людьми точно так же, как фильм, состоящий из неподвижных изображений, воспринимается как непрерывное движение, объясняется на сайте Нобелевской премии. Если мы хотим исследовать действительно кратковременные события, нам нужна специальная технология. В мире электронов изменения происходят за несколько десятых доли аттосекунды – аттосекунда настолько коротка, что в одной секунде их столько, сколько было секунд с момента рождения Вселенной.

Эксперименты лауреатов-2023 позволили получить импульсы света настолько короткие, что они измеряются в аттосекундах, демонстрируя тем самым, что эти импульсы могут быть использованы для получения изображений процессов внутри атомов и молекул.

В 1987 году Анна Л'Юилье обнаружила, что при пропускании инфракрасного лазерного излучения через инертный газ возникает множество различных оттенков света. Каждый обертон представляет собой световую волну с заданным количеством циклов для каждого цикла в лазерном излучении. Они вызваны лазерным излучением, взаимодействующим с атомами газа; это придает некоторым электронам дополнительную энергию, которая затем излучается в виде света. Анна Л'Юилье продолжала исследовать этот феномен, закладывая основу для последующих прорывов.

В 2001 году Пьеру Агостини удалось создать и исследовать серию последовательных световых импульсов, в которых каждый импульс длился всего 250 аттосекунд. В то же время Ференц Краус работал над экспериментом другого типа, который позволил выделить одиночный световой импульс продолжительностью 650 аттосекунд.

Вклад лауреатов позволил исследовать процессы, которые протекают настолько быстро, что за ними ранее невозможно было уследить.

“Теперь мы можем открыть дверь в мир электронов. Аттосекундная физика дает нам возможность понять механизмы, которыми управляют электроны. Следующим шагом будет их использование”, - пояснила Ева Олссон, председатель Нобелевского комитета по физике.

Существуют потенциальные области применения во многих различных областях. Например, в электронике важно понимать и контролировать поведение электронов в материале. Аттосекундные импульсы также могут быть использованы для идентификации различных молекул, например, в медицинской диагностике

Как водится, в преддверии нобелевской недели различные эксперты высказывали прогнозы насчет «нобелевцев» по физике за 2023 год.

Так, издание Physics World, рассуждая о победителях, признает: «В прошлом мы сделали только одно правильное предсказание. Это было в 2013 году, когда Питер Хиггс и Франсуа Энглерт получили премию за свое предсказание механизма Хиггса – работу, которую они проделали еще в далеком 1964 году. Было бы настоящим шоком, если бы эта пара не получила премию в том году, потому что именно в 2012 году физики из ЦЕРНа объявили, что бозон Хиггса наконец-то был обнаружен».

«За последние несколько десятилетий, – продолжает Physics World, – мы сделали много предсказаний, которые не сбылись в те годы, когда они были сделаны. Но это означает, что мы составили короткий список кандидатов, некоторые из которых впоследствии получили призы. Премия 2022 года - отличный пример этого. Все три победителя – Ален Аспект, Джон Клаузер и Антон Цайлингер – были в нашем списке прогнозов еще в 2013 году. Также в нашем списке на 2013 год (и в нашем прогнозе на 2009 год) были упомянуты Майкл Майор и Дидер Келоз, которые разделили премию 2019 года с Джимом Пиблзом. Так что, похоже, если вы будете продолжать делать прогнозы, они в конце концов сбудутся!»

Исходя из того, что в течение трех из последних шести лет премии присуждались физикам, работающим в области астрономии, астрофизики и космологии, «предсказатели» из Physics World делают предположение: лауреаты 2023 года не будут работать в этих областях, что, по их мнению, исключает получение премии, связанной с космическим телескопом Джеймса Уэбба. Поскольку прошлогодняя премия была присуждена в области квантовой физики, может показаться глупым предсказывать еще одну премию в этой области. «Однако, – отмечают в Physics World, – за последние несколько десятилетий квантовые вычисления развивались семимильными шагами, поэтому мы прогнозируем премию за разработку теоретических основ квантовых вычислений. Среди потенциальных лауреатов - Игнасио Сирак, Дэвид Дойч, Питер Шор и Питер Цоллер. Еще одна премия в области квантовой физики, которая будет вручаться еще долгое время, достанется Якиру Ааронову и Майклу Берри за открытия, носящие их имена. Это эффект Ааронова – Бома и фаза Берри – два причудливых и глубоких следствия математики квантовой теории».

А вот премия за достижения в области конденсированных сред не присуждалась с 2016 года, а в 2018 году в последний раз награждались ученые за работу в области атомной, молекулярной и оптической физики. «Обе эти области огромны, поэтому выглядят очень многообещающими для получения призов в 2023 году, – пишет Physics World. – Некоторые из наших любимых специалистов, работающих в этих областях, - Федерико Капассо за его значительный вклад в фотонику; Лена Хау за ее работу над медленным освещением; и Пабло Харилло-Эрреро за его работу над скрученным графеном».

Одним из мест, где можно поискать потенциальных лауреатов Нобелевской премии, является список лауреатов премии Вольфа по физике, отмечает Physics World. Самыми последними лауреатами стали Пол Коркум, Ференц Крауш и Энн Л'Улье “за новаторский вклад в науку о сверхбыстрых лазерах и аттосекундную физику”. Так что их имена включили в список возможных «нобелевцев».

Вообще же имена номинантов, выдвинутых на соискание Нобелевской премии по физике, как и другая информация о номинациях держатся в тайне и могут быть раскрыты только через полвека. Процесс номинирования и отбора начинается с того, что Нобелевский комитет по физике рассылает конфиденциальные формы компетентным персонам. Правом подачи предложений о присуждении «Нобеля» по физике пользуются: шведские и иностранные члены Шведской королевской академии наук; члены Нобелевского комитета по физике; лауреаты Нобелевской премии по физике; штатные профессора физических наук в университетах и ​​технологических институтах скандинавских стран, а также Каролинского института (Стокгольм) и т.д.

За отбор лауреатов награды отвечает Шведская королевская академия наук, которая назначает рабочий орган (Нобелевский комитет по физике), который проверяет номинации и представляет предложения для определения окончательных кандидатов.

Всего с 1901 по 2022 год Нобелевская премия по физике присуждалась 116 раз, причем только в 47 случаях награда доставалась единственному лауреату, в остальных же случаях ее делили между несколькими учеными. Так, в прошлом году премию разделили на троих Ален Аспе, Джон Ф. Клаузер и Антон Цайлингер – «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике».

Таким образом за прошедшие годы премию получили 222 человека – среди них и американский ученый Джон Бардин – единственный в истории дважды лауреатом «Нобеля» по физике (впервые он получил эту премию вместе с Уильямом Брэдфордом Шокли и Уолтером Браттейном в 1956 году, а во второй раз – в 1972 г. – наряду с Леоном Нилом Купером и Джоном Робертом Шриффером за основополагающую теорию обычных сверхпроводников).

Лауреатами премии по физике по состоянию на 2022 года стали лишь четыре женщины. Последней награжденной оказалась в 2020 году американка Андреа Гец. До нее «Нобеля» по физике удостоились Мари Кюри (она, кстати, получила не только награду по физике в 1903 году, но еще и премию по химии в 1911 году), Мария Гёпперт-Майер (ее наградили совместно с Хансом Йенсеном в 1963 г. «за открытия касающиеся оболочечной структуры ядра»), а также Донна Стрикленд из Канады, награжденная в 2018 году за «поворотные изобретения в сфере лазерной физики». Теперь же женщин, лауреаток «Нобеля» по физике стало больше – за счет Анны Л'Юилье.

Самым молодым лауреатом в этой номинации уже более века считается Лоуренс Брэгг из Австралии, получивший премию в 1915 году в 25-летнем возрасте вместе со своим отцом Уильямом Генри Брэггом за заслуги в исследовании кристаллов с помощью рентгеновских лучей. А самым немолодым из «нобелевцев» по физике в 2018 году оказался 96-летний Артур Ашкин.

Еще один любопытный статистический факт: около четверти из всех лауреатов Нобелевской премии по физике являются иммигрантами – то есть теми, кто умер или в настоящее время проживает не в стране своего рождения.

Нобелевскую премию по физике в прошлые годы получили несколько наших соотечественников. В 1958 г. были отмечены заслуги сразу трех советских ученых (Павел Черенков, Илья Франк и Игорь Тамм), в 1962 г. премию присудили Льву Ландау, а в 1964-м – Николаю Басову и Александру Прохорову. В 1978 г. Нобелевскую премию по физике дали Петру Капице. В 2000 г. нобелевским лауреатом по физике стал Жорес Алферов, а в 2003 г. – Алексей Абрикосов и Виталий Гинзбург. В 2010 г. лауреатами стали Андрей Гейм и Константин Новосёлов.