Bljesak koji traje milijardinku milijardinke sekunde. Nobel za pogled u dosad skriveni svijet elektrona

Fizičari Agostini, Krausz i L'Huillier ove su godine dobili Nobelovu nagradu za stvaranje nezamislivo kratkih pulsova svjetlosti, trajanja mjerljivog u atosekundama. Oni bi nam, piše Dario Hrupec, mogli omogućiti finu manipulaciju elektronima. Primjene ove tehnologije mogle bi biti brojne, od tisuće puta bržih elektroničkih uređaja do nikad preciznije medicinske dijagnostike, a vjerojatno će se pojaviti i brojne druge.

• Naslovna fotografija: Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier (Niklas Elmehed / Nobel Prize Outreach)

• Autor je docent na Odjelu za fiziku Sveučilišta Josip Juraj Strossmayer u Osijeku

Nobelovu nagradu za fiziku za 2023. godinu dobili su Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier „za eksperimentalne metode kojima se stvaraju atosekundni pulsovi svjetlosti za istraživanje dinamike elektrona u tvari”.

Da bismo nešto vidjeli, treba nam svjetlost. Ta svjetlost može biti emitirana iz objekta koji opažamo, tada govorimo o svjetlosnom izvoru, ili reflektirana s površine objekta koji opažamo. Sunce je, na primjer, izvor svjetlosti, a Mjesec samo reflektira Sunčevu svjetlost sa svoje površine. U svakom slučaju svjetlost iz objekta opažanja dolazi u naše oko ili u našu kameru.

Koliko svjetlosti treba za stvaranje slike? Što je kamera osjetljivija, to manje. Danas imamo fotosenzore koji su u stanju detektirati pojedinačni foton, česticu svjetlosti. I to ima svoje važne primjene. No, jedan jedini foton nije dovoljan za stvaranje slike. Za sliku nam treba mnoštvo fotona. Blještavi objekt će to mnoštvo fotona emitirati u trenu, a objekt slaboga sjaja kroz nešto dulje vrijeme. Što objekt sjaji slabije, to ga dulje vrijeme treba opažati za fotografiju iste kvalitete. Za daleke kozmičke objekte potrebne su minute ili sati opažanja. Najudaljenije galaksije svemirski teleskop Hubble opažao je više od 10 dana, tek je tada prikupio dovoljno svjetlosti za stvaranje kvalitetne slike. Duljina izlaganja fotosenzora svjetlosti s opažanog objekta naziva se ekspozicija.

Uz dovoljno svjetlosti za mirni objekt tipična ekspozicija je stotinka sekunde. No, ako se objekt giba onda se uz preveliku ekspoziciju hvataju fotoni emitirani s raznih mjesta pa slika postaje mutna. Jako brzi objekt bit će razvučen po cijelom prostoru fotografije. Taj se problem može riješiti smanjivanjem ekspozicije. Za oštre snimke sportskih događaja ekspoziciju treba smanjiti na tisućinku sekunde. Za oštru snimku metka u letu potrebna ekspozicija je još tisuću puta manja, milijuntinka sekunde. I sad dolazimo do poante: što ako nas ne zanimaju ni jureći automobili ni projektili u letu nego dinamika mikrosvijeta, konkretno gibanje elektrona. U tom ekstremno brzom svijetu ekspozicija bi trebala biti reda veličine atosekunde.

Atosekunda je onoliko puta manja od sekunde koliko je sekunda manja od starosti svemira (Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences)

Ato je decimalni predmetak koji znači 10^–18. Decimalnim predmecima tvore se nazivi decimalnih mjernih jedinica. Primjerice, mikrosekunda je 10^–6 s ili milijuntinka sekunde, nanosekunda je 10^–9 s ili milijardinka sekunde. Atosekunda, ili 10^–18 s, je milijardinka milijardinke. Atosekunda je onoliko puta manja od sekunde koliko je sekunda manja od starosti svemira, nepojmljivo kratki djelić vremena.

Zadnjih tridesetak godina razvijane su eksperimentalne metode koje su u konačnici dosegle vremensku skalu atosekunde, potrebnu za istraživanje dinamike elektrona. Doduše, analogija s fotoaparatom dalje ne vrijedi. Eksperimenti u atosekundnoj fizici nemaju blendu koja se otvara na samo nekoliko atosekundi, ili desetaka atosekundi, da bi na fotosenzor propustila svjetlost odaslanu s opažanog objekta. Smjer svjetlosti ovdje je zapravo obrnut. Svjetlost se ne prima nego se šalje u kratkom vremenskom odsječku. Svjetlost, ili neki drugi val, koji nije neprekidan nego je prostorno ograničen (zato što je između početka i kraja emisije proteklo kratko vrijeme) nazivamo puls. Figurativno rečeno, kad bismo uključili laser pa ga nakon par atosekundi isključili, dobili bismo ne laserski snop nego atosekundni laserski puls. Stvarni postupak stvaranja atosekundnog pulsa složeniji je od pukog uključivanja/isključivanja lasera.

Periodičnim uključivanjem/isključivanjem lasera mogu se dobiti pulsovi reda veličine femtosekunde. Tako radi pulsni laser. No, atosekunda je tisuću puta kraća od femtosekunde. Do femtosekundnog pulsa dolazi se na sofisticirani način koji se može razumjeti na temelju fizike valova, na srednjoškolskoj razini. Radi se o udarima.

Udar je valna pojava koja nastaje interferencijom dvaju valova bliskih frekvencija i amplituda. Interferencija je zajednički učinak dvaju ili više valova koji se očituje povećavanjem ili smanjivanjem amplitude ukupnog vala. Najizraženija je u slučaju valova točno istih amplituda i frekvencija koji se u fazi razlikuju za točno pola valne duljine (tada je ukupni val potpuno poništen, to je destruktivna interferencija) ili za točno cijelu valnu duljinu (tada je ukupni val dvostruko veće amplitude, to je konstruktivna interferencija). Ako dva vala, koja međudjeluju (dolaze u isto vrijeme na isto mjesto), nemaju točno istu frekvenciju nego se tek malo razlikuju u frekvenciji onda je rezultat interferencije val čija se amplituda periodično mijenja. A intenzitet je proporcionalan kvadratu amplitude. Mijenja se dakle i intenzitet.

Kod zvuka to znači da se glasnoća pojačava i smanjuje. To možete sami isprobati ako imate, recimo, dvije gitare. Isti ton odsviran na obje savršeno naštimane gitare čuje se povećanim, ali nepromjenjivim intenzitetom. Ako sad žicu jedne gitare, kojom ste dobili taj ton, malo jače zategnete (neznatno promijenite napetost pa time i visinu tona) i ponovo na obje gitare zasvirate „isti” ton opazit ćete da intenzitet varira. Povremeno se čuje glasnije, a povremeno tiše. Tu pojavu nazivamo udari. Frekvencija udara jednaka je razlici frekvencija dvaju valova. Za udare koji se mijenjaju s periodom od jedne sekunde, što odgovara frekvenciji od jednog herca, razlika frekvencija dvaju valova treba biti jedan herc. Za koncertni ton (A iznad srednjeg C), 440 Hz, jednu od gitara treba naštimati na 441 Hz ili 439 Hz. Onda dobijete udare s periodom od 1 sekunde.

Alikvotni tonovi – na vrhu je fundamentalni ton, ispod slijede prvi viši harmonik, drugi viši harmonik, itd… (Creative Commons)

I još jedna pojava vezana uz fiziku glazbe. Žica gitare (ili nekog drugog žičanog instrumenta, klavira primjerice) fiksirana je na oba kraja. Kad ju zatitramo nastaje stojni val, zapravo mnoštvo stojnih valova različitih frekvencija koje nazivamo harmonici. Osnovni harmonik odgovara osnovnom tonu, a njegov stojni val ima dva čvora, na fiksnim krajevima žice, i jedan trbuh, u sredini žice. To je pola valne duljine. Prvi viši harmonik ima tri čvora i dva trbuha. To je jedna valna duljina. I tako dalje, svaki viši harmonik ima po jedan čvor više, malo kreću valnu duljinu pa stoga malo višu frekvenciju. Viši harmonici, takozvani alikvotni ili gornji tonovi, sve se manje razlikuju u frekvencijama.

Vratimo se sad na lasere. Anne L’Huillier je, sa svojim suradnicima u Francuskoj, otkrila da infracrveni laser pri prolasku kroz plemeniti plin stvara harmonike. U interakciji s atomima dio laserske svjetlosti malo mijenja frekvenciju. Dalje takvi valovi interferiraju međusobno pa nastaju udari što periodično mijenja intenzitet. Uz određene uvjete, kao kod izbora tonova na dvije gitare i pažljivom promjenom napetosti žice na jednoj gitari, može se postići promjena intenziteta s periodom na razini atosekunde. Tako se ostvaruju atosekundni pulsovi.

Primjer eksperimenta s atosekundnim pulsovima. (Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences)

Pierre Agostini sa svojom je grupom, također u Francuskoj, usavršio postupak stvaranja periodičnog niza atosekundnih pulsova, poput vlaka s nizom vagona, čiju se duljinu i razmake moglo podešavati. Ferenc Krausz i njegovi suradnici u Austriji razvili su pak metodu kojom se iz niza atosekudnih pulsova mogao izdvojiti jedan puls. Takav pojedinačni atosekundni puls mogao se ili mjeriti ili iskoristiti u nekom drugom eksperimentu.

Dinamika elektrona zvuči jako akademski i vjerojatno vas ne asocira na ništa primijenjeno. No, daleko od toga. Elektroni su vanjski dijelovi atoma koji su odgovorni za međusobno povezivanje atoma i za svojstva tvari. To znači za više-manje sve što nas okružuje.

Usmjereno gibanje elektrona je električna struja. Naprave kojima se djelovanje temelji na gibanju elektrona u poluvodičima su elektroničke naprave. Njihova svojstva proizlaze iz našeg umijeća da kontroliramo gibanja tih elektrona. Da elektroni plešu onako kako mi sviramo. Uz atosekundne laserske pulsove načelno je moguće manipulirati elektronima na puno finiji način nego do sada.

Jer, da bismo elektrone izbacivali iz materijala treba nam svjetlost (pojava se naziva fotoelektrični učinak, Einstein ju je objasnio 1905. godine i za to objašnjenje je 1921. godine dobio Nobelovu nagradu). O frekvenciji svjetlosti ovisi energija izbačenih elektrona. No, kad će koji elektron biti izbačen, to uz kontinuirani snop ne možete znati. No, uz pojedinačne pulsove na atosekundnoj skali manipulacija elektronima postaje iznimno precizna. Procjena je da bi se brzina elektronike, uz ovakve primjene, jednog dana mogla povećati čak sto tisuća puta.

Osim tehnoloških primjena, očekivane su primjene u medicinskoj dijagnostici. Naime, elektroni povezuju atome svih naših molekula i male promjene u strukturi tih molekula vidljive su u finim detaljima molekulskih spektara. Atosekundni pulsovi pogodni su za rano uočavanje takvih neznatnih promjena u molekulama koje grade našu krv, a koje – puno prije pojave bilo kakvih simptoma – ukazuju na vrlo ranu fazu raka pluća. Uz tako rano otkrivanje šanse za izlječenje znatno su povećane.

Osim tih potencijalnih primjena, od elektronike do medicine, s vremenom će se vrlo vjerojatno pojaviti i druge, danas još neočekivane primjene. Jer su istraživanja u području atosekundne fizike temeljna istraživanja, ona koja pokreću tehnologiju i čije se primjene ponekad nalaze tek desetljećima kasnije.