En un anunci important de la nit del 3 d'octubre de 2023, es va presentar el premi Nobel de física per a l'any 2023, reconeixent les contribucions destacades de tres científics que han jugat papers fonamentals com a pioners en l'àmbit de la tecnologia làser attosegona.

El terme "Attosecond Laser" deriva el seu nom de la intensitat de temps que opera, concretament en l'ordre dels attosegons, corresponent a 10^-18 segons. Per comprendre la importància profunda d’aquesta tecnologia, és primordial una comprensió fonamental del que significa un attosegon. Una atosegona és una unitat de temps extremadament minut, constituint una mil·lèsima part d'una mil·lèsima part d'un segon en el context més ampli d'un sol segon. Per dir -ho en perspectiva, si ens comparéssim un segon a una muntanya elevada, un attosegon s’assemblava a un sol gra de sorra enclavat a la base de la muntanya. En aquest interval temporal fugaç, fins i tot la llum gairebé no pot recórrer una distància equivalent a la mida d’un àtom individual. Mitjançant la utilització de làsers atosegons, els científics obtenen la capacitat sense precedents per examinar i manipular la dinàmica complexa dels electrons dins de les estructures atòmiques, similar a una reproducció de moviment lent per fotograma en una seqüència cinematogràfica, aprofundint en la seva interacció.

Attosegons làsersRepresenteu la culminació d’extenses investigacions i esforços concertat per part dels científics, que han aprofitat els principis de l’òptica no lineal per elaborar làsers ultrafastos. El seu Advent ens ha proporcionat un punt de vista innovador per a l'observació i l'exploració dels processos dinàmics que transpiraven dins dels àtoms, molècules i fins i tot electrons en materials sòlids.

Per dilucidar la naturalesa dels làsers atosegons i apreciar els seus atributs no convencionals en comparació amb làsers convencionals, és imprescindible explorar la seva categorització dins de la "família làser" més àmplia. La classificació per longitud d’ona situa els làsers atosegons predominantment dins del rang d’ultraviolats a freqüències de raigs X toves, cosa que significa les seves longituds d’ona notablement més curtes en contrast amb els làsers convencionals. En termes de modes de sortida, els làsers atosegons es troben dins de la categoria de làsers polsats, caracteritzats per les seves duracions de pols extremadament breus. Per dibuixar una analogia per a la claredat, es pot preveure làsers d’ona contínua com a una llanterna que emeti un feix de llum contínua, mentre que els làsers polsats s’assemblen a una llum estroboscopi, alternant ràpidament entre períodes d’il·luminació i foscor. En essència, els làsers atosegons presenten un comportament pulsant dins de la il·luminació i la foscor, però la seva transició entre els dos estats transcorre a una freqüència sorprenent, arribant al terreny dels attosegons.

Una categorització addicional per la potència situa làsers en claudàtors de potència baixa, de potència mitjana i de gran potència. Els làsers atosegons aconsegueixen una gran potència màxima a causa de la seva durada de pols extremadament curta, donant lloc a una potència màxima pronunciada (p) - definida com la intensitat d’energia per unitat de temps (p = w/t). Tot i que els polsos làser atosegons individuals poden no tenir energia excepcionalment gran (W), la seva extensió temporal abreujada (T) els imparteix amb una potència màxima elevada.

En termes de dominis d’aplicació, els làsers abasten un espectre que abasta aplicacions industrials, mèdiques i científiques. Els làsers atosegons troben principalment el seu nínxol dins del terreny de la investigació científica, particularment en l'exploració de fenòmens en evolució ràpida dins dels dominis de la física i la química, oferint una finestra als processos dinàmics del món microcosmic del món.

La categorització per medi làser delimita làsers com a làsers de gas, làsers d’estat sòlid, làsers líquids i làsers de semiconductors. La generació de làsers atosegons normalment es basa en els medis làser de gas, aprofitant els efectes òptics no lineals per generar harmònics d’alt ordre.

En resum, els làsers atosegons constitueixen una classe única de làsers de pols curt, distingits per les seves duracions de pols extraordinàriament breus, normalment mesurades en atosegons. Com a resultat, s’han convertit en eines indispensables per observar i controlar els processos dinàmics ultrafastos d’electrons dins d’àtoms, molècules i materials sòlids.

El procés elaborat de la generació làser atosegona

La tecnologia Laser Attosegond es troba al capdavant de la innovació científica, amb un conjunt de condicions intrigantment rigorós per a la seva generació. Per dilucidar les complexitats de la generació làser atosegona, comencem amb una exposició concisa dels seus principis subjacents, seguida de vives metàfores derivades de les experiències quotidianes. Els lectors no convertits en les complexitats de la física rellevant no necessiten desesperar -se, ja que les metàfores següents tenen com a objectiu fer accessible la física fundacional dels làsers atosegons.

El procés de generació de làsers atosegons es basa principalment en la tècnica coneguda com a alta generació harmònica (HHG). En primer lloc, un feix de polsos làser de gran intensitat (10^-15 segons) es centra estretament en un material objectiu gasós. Val la pena assenyalar que els làsers femtosegons, similars als làsers attosegons, comparteixen les característiques de posseir durades de pols curta i elevada potència màxima. Sota la influència del camp làser intens, els electrons dins dels àtoms de gas s’alliberen momentàniament dels seus nuclis atòmics, entrant transitòriament en un estat d’electrons lliures. A mesura que aquests electrons oscil·len en resposta al camp làser, finalment tornen i es recombinen amb els seus nuclis atòmics pares, creant nous estats d’alta energia.

Durant aquest procés, els electrons es mouen a velocitats extremadament altes i, després de la recombinació amb els nuclis atòmics, alliberen energia addicional en forma d’emissions harmòniques elevades, manifestant-se com a fotons d’alta energia.

Les freqüències d’aquests fotons d’alta energia de nova generació són múltiples múltiples de la freqüència làser original, formant el que s’anomena harmònics d’alt ordre, on els “harmònics” denota freqüències que són múltiples integrals de la freqüència original. Per assolir làsers atosegons, és necessari filtrar i centrar aquests harmònics d’alt ordre, seleccionant harmònics específics i concentrant-los en un punt focal. Si es vol, les tècniques de compressió de pols poden abreujar encara més la durada del pols, produint polsos ultra-curts en el rang attosegon. Evidentment, la generació de làsers atosegons constitueix un procés sofisticat i polifacètic, exigint un alt grau de capacitat tècnica i equipament especialitzat.

Per desmitificar aquest procés complex, oferim un paral·lel metafòric basat en escenaris quotidians:

Polsos làser femtosegona d'alta intensitat:

La previsió que posseeix una catapulta excepcionalment potent capaç de llançar-se de forma instantània pedres a velocitats colossals, similar al paper que juguen els polsos làser femtosegons d’alta intensitat.

Material objectiu gasós:

Imagineu un cos tranquil d’aigua que simbolitza el material objectiu gasós, on cada goteta d’aigua representa múltiples àtoms de gas. L’acte de propulsar pedres en aquest cos d’aigua reflecteix de manera anàloga l’impacte dels polsos làser femtosegons d’alta intensitat sobre el material objectiu gasós.

Moviment i recombinació dels electrons (transició físicament anomenada):

Quan els polsos làser femtosegons afecten els àtoms de gas dins del material objectiu gasós, un nombre significatiu d’electrons exteriors s’emocionen momentàniament amb un estat on es desprenen dels seus respectius nuclis atòmics, formant un estat plasmàtic. A mesura que l’energia del sistema disminueix posteriorment (ja que els polsos làser són inherentment polsats, amb intervals de cessació), aquests electrons exteriors tornen a la seva proximitat dels nuclis atòmics, alliberant fotons d’alta energia.

Generació harmònica alta:

Imagineu -vos que cada vegada que una gota d’aigua cau a la superfície del llac, crea ondulacions, com els harmònics alts en els làsers atosegons. Aquestes ondulacions tenen freqüències i amplituds més elevades que les ondulacions originals causades pel pols làser femtosegon. Durant el procés HHG, un potent feix làser, similar a les pedres de tirar contínuament, il·lumina un objectiu de gas, semblant a la superfície del llac. Aquest intens camp làser propulsa els electrons en el gas, anàlegs a les ondulacions, allunyades dels seus àtoms pares i després els tira enrere. Cada vegada que un electró torna a l’àtom, emet un nou feix làser amb una freqüència més alta, semblant a patrons d’onduits més complicats.

Filtratge i enfocament:

La combinació de tots aquests feixos làser de nova generació produeix un espectre de diversos colors (freqüències o longituds d'ona), algunes de les quals constitueixen el làser atosegon. Per aïllar mides i freqüències específiques, podeu utilitzar un filtre especialitzat, similar a la selecció de les ondulacions desitjades i utilitzar una lupa per centrar -les en una àrea específica.

Compressió de pols (si cal):

Si voleu propagar les ondulacions més ràpidament i més curtes, podeu accelerar la seva propagació mitjançant un dispositiu especialitzat, reduint el temps que dura cada ondulació. La generació de làsers atosegons implica una interacció complexa de processos. Tanmateix, quan es desglossa i es visualitza, es fa més comprensible.