En un anunci transcendental la nit del 3 d'octubre de 2023, es va donar a conèixer el Premi Nobel de Física per a l'any 2023, reconeixent les contribucions destacades de tres científics que han jugat un paper fonamental com a pioners en l'àmbit de la tecnologia làser d'atosegon.

El terme "làser attosegons" deriva el seu nom de l'escala de temps increïblement breu en què opera, concretament en l'ordre d'atosegons, corresponent a 10^-18 segons. Per entendre el significat profund d'aquesta tecnologia, és primordial una comprensió fonamental del que significa un attosegon. Un attosegon és una unitat de temps molt minúscula, que constitueix una mil·l·lonèsima de mil·l·lonèsima de segon en el context més ampli d'un sol segon. Per posar-ho en perspectiva, si comparéssim un segon amb una muntanya altíssima, un attosegon seria semblant a un sol gra de sorra situat a la base de la muntanya. En aquest interval temporal fugaç, fins i tot la llum amb prou feines pot recórrer una distància equivalent a la mida d'un àtom individual. Mitjançant la utilització de làsers d'atosegons, els científics aconsegueixen la capacitat sense precedents d'escrutar i manipular la complexa dinàmica dels electrons dins d'estructures atòmiques, semblant a una reproducció a càmera lenta fotograma a fotograma en una seqüència cinematogràfica, aprofundint així en la seva interacció.

Làsers d'atosegonsrepresenten la culminació d'una àmplia investigació i esforços concertats per part dels científics, que han aprofitat els principis de l'òptica no lineal per crear làsers ultra ràpids. El seu arribada ens ha proporcionat un punt de vista innovador per a l'observació i l'exploració dels processos dinàmics que es produeixen dins dels àtoms, molècules i fins i tot electrons en materials sòlids.

Per dilucidar la naturalesa dels làsers d'atosegons i apreciar els seus atributs no convencionals en comparació amb els làsers convencionals, és imprescindible explorar la seva categorització dins de la "família làser" més àmplia. La classificació per longitud d'ona situa els làsers d'atosegon predominantment dins del rang de freqüències de raigs X ultraviolats a suaus, cosa que significa les seves longituds d'ona notablement més curtes en contrast amb els làsers convencionals. Pel que fa als modes de sortida, els làsers d'atosegons entren dins de la categoria de làsers polsats, caracteritzats per les seves durades de pols molt breus. Per fer una analogia per a la claredat, es pot imaginar els làsers d'ona contínua com una llanterna que emet un feix continu de llum, mentre que els làsers polsats s'assemblen a una llum estroboscòpica, alternant ràpidament entre períodes d'il·luminació i foscor. En essència, els làsers d'atosegons presenten un comportament pulsante dins de la il·luminació i la foscor, però la seva transició entre els dos estats transpira a una freqüència sorprenent, arribant al regne dels attosegons.

Una classificació addicional per potència situa els làsers en suports de baixa potència, de potència mitjana i d'alta potència. Els làsers d'atosegons aconsegueixen una potència màxima elevada a causa de les seves durades de pols extremadament curtes, 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 d'atosegon individuals poden no tenir una energia excepcionalment gran (W), la seva extensió temporal abreujada (t) els imparteix una potència màxima elevada.

Pel que fa als dominis d'aplicació, els làsers abasten un espectre que inclou aplicacions industrials, mèdiques i científiques. Els làsers d'atosegons troben principalment el seu nínxol dins l'àmbit de la investigació científica, especialment en l'exploració de fenòmens d'evolució ràpida dins dels dominis de la física i la química, oferint una finestra als ràpids processos dinàmics del món microcòsmic.

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

En resum, els làsers d'atosegons constitueixen una classe única de làsers de pols curt, que es distingeixen per les seves durades de pols extraordinàriament breus, normalment mesurades en attosegons. Com a resultat, s'han convertit en eines indispensables per observar i controlar els processos dinàmics ultra ràpids dels electrons dins dels àtoms, molècules i materials sòlids.

El procés elaborat de generació làser attosegon

La tecnologia làser Attosecond es troba a l'avantguarda de la innovació científica, amb un conjunt de condicions intrigantment rigoroses per a la seva generació. Per dilucidar les complexitats de la generació del làser attosegon, comencem amb una exposició concisa dels seus principis subjacents, seguida de metàfores vívides derivades de les experiències quotidianes. Els lectors no coneixedors de les complexitats de la física rellevant no s'han de desesperar, ja que les metàfores següents pretenen fer accessible la física fonamental dels làsers d'atosegons.

El procés de generació de làsers d'atosegons es basa principalment en la tècnica coneguda com High Harmonic Generation (HHG). En primer lloc, un feix de polsos làser de femtosegons d'alta intensitat (10 ^ -15 segons) està ben centrat en un material objectiu gasós. Val la pena assenyalar que els làsers de femtosegons, semblants als làsers d'atosegons, comparteixen les característiques de posseir una durada de pols curta i una potència màxima alta. Sota la influència de l'intens camp làser, els electrons dins dels àtoms de gas s'alliberen momentàniament dels seus nuclis atòmics, entrant transitoriment 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, en recombinar-se amb els nuclis atòmics, alliberen energia addicional en forma d'emissions harmòniques elevades, que es manifesten com a fotons d'alta energia.

Les freqüències d'aquests fotons d'alta energia recentment generats són múltiples enters de la freqüència làser original, formant el que s'anomena harmònics d'ordre alt, on "harmònics" denota freqüències que són múltiples integrals de la freqüència original. Per aconseguir làsers d'atosegons, es fa necessari filtrar i enfocar aquests harmònics d'ordre elevat, seleccionant harmònics específics i concentrant-los en un punt focal. Si es desitja, les tècniques de compressió del pols poden abreujar encara més la durada del pols, produint polsos ultra curts en el rang d'atosegons. Evidentment, la generació de làsers d'atosegon constitueix un procés sofisticat i polifacètic, que exigeix ​​un alt grau de destresa tècnica i equips especialitzats.

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

Polsos làser femtosegons d'alta intensitat:

Imagineu que posseeix una catapulta excepcionalment potent capaç de llançar pedres instantàniament a velocitats colossals, semblant al paper que juguen els polsos làser de femtosegons d'alta intensitat.

Material gasós objectiu:

Imagineu un cos d'aigua tranquil que simbolitza el material objectiu gasós, on cada gota d'aigua representa una infinitat d'àtoms de gas. L'acte d'impulsar pedres cap a aquesta massa d'aigua reflecteix de manera anàloga l'impacte dels polsos làser de femtosegons d'alta intensitat sobre el material objectiu gasós.

Moviment d'electrons i recombinació (transició anomenada físicament):

Quan els polsos làser de femtosegon impacten els àtoms de gas dins del material objectiu gasós, un nombre significatiu d'electrons exteriors s'exciten momentàniament fins a un estat on es desprenen dels seus nuclis atòmics respectius, formant un estat semblant al plasma. A mesura que l'energia del sistema disminueix posteriorment (ja que els polsos làser són inherentment polsats, amb intervals de cessament), aquests electrons exteriors tornen a la seva proximitat dels nuclis atòmics, alliberant fotons d'alta energia.

Generació d'alt harmònic:

Imagineu-vos que cada vegada que una gota d'aigua cau de nou a la superfície del llac, crea ondulacions, com els harmònics elevats dels làsers d'atosegon. Aquestes ondulacions tenen freqüències i amplituds més elevades que les ondulacions originals causades pel pols làser primari de femtosegon. Durant el procés HHG, un potent raig làser, semblant a llançar contínuament pedres, il·lumina un objectiu de gas, semblant a la superfície del llac. Aquest intens camp làser propulsa els electrons del gas, de manera anàloga a les ondulacions, lluny dels seus àtoms progenitors i després els fa retrocedir. Cada vegada que un electró torna a l'àtom, emet un nou raig làser amb una freqüència més alta, semblant a patrons d'ondulatge més complexos.

Filtrat i enfocament:

La combinació de tots aquests raigs làser de nova generació produeix un espectre de diversos colors (freqüències o longituds d'ona), alguns dels quals constitueixen el làser d'atosegon. Per aïllar mides i freqüències específiques de ondulació, podeu utilitzar un filtre especialitzat, semblant a seleccionar les ondulacions desitjades, i utilitzar una lupa per enfocar-les en una àrea específica.

Compressió del pols (si cal):

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