Нобелова награда за физику атосекунде: Како су електрони коначно постали видљиви и зашто је то значајно за човечанство

Ако сте се икад мало озбиљније бавили фотографијом, знате колико је тешко направити јасну слику објекта који се креће великом брзином. Ма колико се трудили да, с фотоапаратом у руци, пратите аутомобил, авион или спортисту у покрету, слика ће, у највећем броју случајева, бити мање или више замућена. На највећем броју фотографија, крила колибрија који лебди изнад цвета практично су невидљива, утопљена у позадину слике.

Извор овог проблема је у самом начину на који фотоапарати раде. Фотографија се не може направити у тренутку. Уместо тога, неопходно је да светлост са објекта који снимате бар неко време пролази кроз објектив и пада на фото-осетљиви сензор, како би у њему генерисала електричне импулсе које ће фотоапарат претворити у слику.

Период током којег апарат сакупља светлост како би генерисао слику зове се „експозиција“. Иако је експозиција типично веома кратка и мери се деловима секунде, проблем је што се током њеног трајања предмети које снимамо и даље крећу. Зато брзи предмети на сензору апарата остављају нејасну, разливену слику, која се може избећи само скраћивањем експозиције. 

У случају кратке експозиције, објекат који снимате ће током фотографисања прећи тако мало растојање да ће, гледано кроз објектив апарата, изгледати практично непомично. Ако сте и остале параметре фотографије (квалитет објектива, отвор бленде и осетљивост сензора) подесили на адекватан начин, слика ће бити веома оштра. Правило је просто: што је предмет који се креће бржи, то и време трајања експозиције мора да буде краће. Класични фотоапарати, чак и они скромнији, могу експозицију да скрате на свега неколико хиљадитих делова секунде, чак и мање од тога.

Како „ухватити“ електроне

Кад је тако тешко снимити покретне објекте из наше свакодневице, колико је тек тешко снимити честице на атомском и суб-атомском нивоу, које се такође непрекидно крећу? Када се спустимо до основних градивних честица материје, видећемо атомска језгра и облаке електрона који их окружују, у сталном покрету.

У овим облацима, електрони се крећу неупоредиво већим брзинама од оних на које смо навикли у макроскопском свету (те брзине упоредиве су са брзином светлости). Како „ухватити“ елементарне честице попут електрона које су у највећем броју феномена понашају као тачке с масом и наелектрисањем, али без опипљивих димензија?

Интерес за ово није само академски. Практично сва физичка и хемијска својства материјала могу се извести из колективног понашања електрона у електронским облацима, који као везивна маса спајају атоме у најразличитија хемијска једињења. Хемијске реакције, њихов интензитет и динамика, такође се могу објаснити динамичким понашањем електрона, њиховом прерасподелом у простору и времену.

Да бисте схватили механизам понашања материје на најнижем нивоу, неопходно је да будете у стању да „ухватите“ и анализирате електроне. Они се налази у основи свега: не само да без њих не би било уређаја које користимо, не би било ни самог живота.

Да ствар буде још компликованија, електрони нимало не личе на пинг-понг лоптице које се крећу по правилним, фиксним путањама око атомских језгара као што се Месец креће око Земље. Материја, на свом фундаменталном нивоу, има квантна својства тако да се, заправо, не може говорити о тачном положају и брзини електрона.

Све што можемо да сазнамо о њему је шанса да ће се он у одређеном периоду времена наћи у одређеном делу простора. Сваки електрон је практично „растворен“ у простору који га окружује.

Замислите сада да желите да направите слику свега тога. Класичне фотографске технике ту су потпуно неприменљиве, немоћни су чак и најјачи оптички или електронски микроскопи. Ипак, принцип са почетка текста и даље важи: с обзиром да се електрони крећу веома брзо, неопходно је да трајање посматрања буде кратко како би информације сакупљене током посматрања биле довољно прецизне.

Како год да посматрате електрон, морате да употребите опрему која ће целокупно мерење моћи да обави у једном минијатурном делићу секунде.

Милисекунде, микросекунде, наносекунде…

Као што смо навели на почетку, време експозиције брзих макроскопских објеката мери се милисекундама, хиљадитим деловима секунде. Милисекундама се мери и време које прође од тренутка када кликнете мишем до тренутка када се на екрану види одређени резултат.

Поделите милисекунду на хиљаду делова и добићете микросекунду. Време које је потребно електронским компонентама да одговоре на улазни сигнал типично се мери овом јединицом. У микросекундама се мери и трајање бљеска фотографског блица или кашњење током простирања мрежних сигнала између различитих уређаја.

Поделите сада микросекунду на хиљаду делова и добићете наносекунду. У наносекундама се мери време које је потребно процесору да прочита одређени податак из меморије вашег лаптопа. Толико, отприлике, траје и један „откуцај срца“ вашег рачунара, тј. време потребно микропроцесору да пређе из једног бинарног стања у друго. Време потребно светлосном сигналу да прође кроз оптички кабл такође се мери наносекундама.

Јесмо ли стигли до краја? Ни изблиза... Заправо, у овој деоби секунде на све ситније делове једва да смо стигли до половине пута.

У свету микрочестица

Нобелову награду за физику за 2023. годину добила је група научника, која је помоћу ултра-кратких ласерских импулса успела да осмотри кретање електрона које смо до јуче сматрали неухватљивим. Трајање ових ласерских импулса мери се незамисливо кратким атосекундама.

Мало о бројевима: једна наносекунда, милијардити део секунде, има милијарду атосекунди. Проста рачуница показује да више има атосекунди у једној секунди, него што у досадашњем трајању космоса (13,7 милијарди година) има секунди!

У закључку Нобеловог комитета пише да су Пјер Агостини, Ференц Краус и Ан Л’Улије „демонстрирали начин креирања кратких ласерских импулса који се могу искористити за праћење брзих процеса током којих се електрони крећу или мењају своју енергију“. Добили смо нову алатку помоћу које можемо да завиримо у свет електрона, унутар атома и молекула. И не само то, сада можемо да посматрамо читав процес настанка и трансформације молекула који је до сада, због своје огромне брзине, био практично недокучив.

Напредак је револуционаран, јер досадашње технике тако нешто нису омогућавале: у најбољем случају, положај електрона видео се на снимку као једва разговетна, нејасно дефинисана флека. Електрон, који је све до јуче имао „имиџ“ невидљиве честице, сада је одједном постао приступачан.

Највећу заслугу за ово достигнуће има Ан Л’Улије са Лунд Универзитета у Шведској која је, током вишедеценијског истраживања, открила нов облик интеракције ласерске светлости са атомима племенитог гаса. Она је приметила да се приликом проласка инфрацрвеног ласерског светла кроз јонизовани аргон у светлости појављују тзв. „виши хармоници“, светлосни таласи чија таласна дужина представља целобројни део таласне дужине оригиналног светлосног извора. Уз одговарајућу апаратуру, ови хармоници могу да се међусобно појачавају или поништавају.

Идеју је разрадио Пјер Агостини са Универзитета у Охају, који је помоћу њих 2001. године успео да креира ласерски импулс са трајањем од свега 250 атосекунди.

У исто време, сличан успех поновио је и Ференц Краус са Института „Макс Планк“ у Немачкој. Он је успео да изолује ласерске импулсе са трајањем од свега 650 атосекунди, што је било стотинама пута боље у односу на најбољи претходни резултат из осамдесетих година прошлог века.

Као да време стоји

Овако кратким импулсима могуће је директно посматрати најбрже и најскривеније процесе у природи, укључујући и понашање самих електрона. Разумевање ових процеса донеће огроман напредак у индустрији материјала.

Светлост овако кратког импулса наћи ће своју примену и у индустрији микропроцесора, која одавно користи фотолитографске поступке за „штампање“ интегралних кола на површини силицијума. Постоји и идеја да се прецизност коју са собом носе ултра-кратки ласерски импулси искористи у медицинској дијагностици, за рано детектовање патолошких промена у ткивима на основу „електронских потписа“ карактеристичних молекула. Технологија брзих ласерских пулсева вероватно ће наћи примену и у спектрографији, биологији, астрономији...

Сама Ан Л'Улије признаје да је помало изненађена: „Када сам пре тридесет година почињала да се бавим овим стварима, тешко сам могла да замислим да ће све на крају добити неку практичну примену. Ово још једном показује колико је важно улагати у фундаментална истраживања, без обзира на непостојање непосредне користи“.

Читаво достигнуће најбоље је описао Мајкл Молони, директор Америчког института за физику. Он је упоредио атомска језгра окружена електронима са коцкицама шећера око којих лете муве: „Атосекунда је толико кратка да изгледа као да током њеног трајања време стоји. Коцкице шећера (атомска језгра) се не крећу, видимо само кретање мува (електрона) изнад њих. Свака промена коју детектујемо потиче искључиво од кретања електрона. То нам драстично поједностављује интерпретацију резултата“.

Физика атосекунде

Нова техника, међутим, не омогућава да се појединачни електрони прате директно и у континуитету. Уместо тога, кратки ласерски импулси делују као стробоскопска лампа помоћу које можемо да ухватимо замрзнуту слику расподеле наелектрисаних честица у датом тренутку времена. Када више оваквих импулса пошаљемо један за другим у правилним временским размацима, добијамо мноштво слика о томе како се наелектрисане честице крећу између молекула и унутар самих молекула.

Ово кретање одговорно је за практично све хемијске и физичке реакције у природи и зато је његово суштинско разумевање од фундаменталног значаја.

Како пише у образложењу Нобеловог комитета: „Давне 1925. године чувени Вернер Хајзенберг тврдио је да се електрони крију у свету који никад нећемо моћи да видимо. Захваљујући физици атосекунде, ово полако почиње да се мења“.

Овогодишњи лауреати поделиће награду од 11 милиона шведских круна (милион америчких долара). Ференц Краус је већ саопштио да ће свој део награде уплатити у фонд за подршку локалним заједницама погођеним ратом у Украјини.

Ако се Нобеловом комитету ишта може замерити, то је изостављање Канађанина Пола Коркума са листе добитника. Коркум је, заједно за Краусом и Л'Улије, прошле године добио престижну Волф награду за исту област истраживања. Он је, између осталог, пронашао и начин за прецизно мерење трајања кратких ласерских импулса. Нажалост, правила Нобеловог комитета лимитирају број добитника сваке године на максимално три.

Поменимо, на крају, да Нобелова награда за физику сигурно није пример родне равноправности. До сада је било 211 добитника а пре Ан Л'Улије ову награду добиле су само четири жене: Марија Кири (1903), Марија Гоперт-Мајер (1963), Дона Стрикланд (2018) и Андреа Гец (2020).