Увидеть электрон: физик Колачевский объяснил суть открытия нобелевских лауреатов-2023

Официально премия присуждена «за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электронов в веществе». «Эти импульсы являются инструментами для исследования мира электронов внутри атомов и молекул», говорится в официальном сообщении Нобелевского комитета. Раньше их невозможно было отследить, а теперь основанные исключительно на теории формулы «оживут», и мы сможем увидеть электронную оболочку атома своими собственными глазами. Через микроскоп, конечно.

— Это вполне заслуженная премия, — комментирует решение Нобелевского комитета Николай Колачевский. — Действительно награждены пионеры этой области, которые смогли преодолеть рубеж фемтосекундного импульса, считавшегося ранее самым коротким.

— Можете сначала рассказать о фемтосекундных импульсах?

— Фемтосекундный лазерный импульс имеет длину 10 в минус 15 степени секунды (название происходит от латинского слова femten, означающего «пятнадцать»). Его длину можно также представить как миллионную миллиардной доли секунды. Раньше казалось, что это предельный рубеж. 1 фемтосекунда равна периоду колебания света в световой волне, с ее помощью можно изучать колебания молекул.

— Для решения каких задач они используются?

— Фемтосекундные импульсы сегодня являются настоящими рабочими лошадками. С их помощью наблюдают за химическими процессами, делают отверстия в материалах с очень чистыми стенками, проводят тончайшие хирургические операции, улучшают систему ГЛОНАСС и GPS.

— Когда нынешние нобелевские лауреаты начали работу по генерации более коротких импульсов?

— В конце 1990 — начале 2000-х годов начались работы, направленные на получение аттосекундного импульса (от латинского atten — «восемнадцать») длиной 10 в минус 18 степени секунды (или миллиард миллиардной доли секунды. — Авт.). Когда Крауз впервые продемонстрировал одиночные аттосекундные импульсы — это был 2001 год, — уже тогда появилась надежда на присуждение ему Нобелевской премии за преодоление рубежа фемтосекундного импульса. Это новое знание в мире, аттосекундный лазер — это одна тысячная фемтосекунды.

— Как его можно представить себе?

— К примеру, один оборот электрона вокруг атома водорода — это тысячи или сотни аттосекунд.

Теперь мы можем наблюдать за его движением! Причем интерес представляет не только динамика электрона, но и сам механизм генерации короткого импульса.

— Можете описать, каким образом короткий лазерный импульс помогает увидеть электрон?

— Фемтосекундный лазер бьет в мишень — в контейнер (кювету) с газом. Из этой газовой мишени в направлении пучка лазера вылетает аттосекундный импульс. Это происходит не в видимом, а в ультрафиолетовом диапазоне. Этот сверхкороткий импульс можно выделить и направить на другую мишень, к примеру, на отдельную молекулу или на отдельный атом и посмотреть, как он провзаимодействует с этим атомом. Помните, еще в школе всем нам показывали рисунки формулы молекулы водорода — атом водорода, и вокруг него летает электрон. Так вот, если объяснять предельно просто, аттосекундный импульс как фонариком высвечивает этот электрон и выбивает из молекулы. В момент выбивания и происходит регистрация его направления, в котором он двигался до этого. То есть регистрация разрушает вещество, создавая красивые фотографии застывшего электронного облака.

— Для чего могут пригодиться знания о динамике электронов?

— Пока в широком смысле практических приложений для аттосекундного лазера нет. Это чисто фундаментальная наука, которая должна выстрелить в будущем. Есть, в частности, надежда на решение с помощью него вопросов квантовых коммуникаций, проблемы излучения одиночных фотонов, квантовой запутанности. Уже сегодня между банками прокладываются каналы с квантовым шифрованием... Думаю, аттосекундные лазеры будут прежде всего использованы в этом направлении. Правда, для них потребуется для начала создать мощные лазерные установки, которые пока имеются всего в десяти институтах США, Канады и Европы. К сожалению, наша страна, имеющая хороший приоритет в исследованиях с фемтосекундными лазерами, с аттосекундными пока не работает.