In un importante annuncio della sera del 3 ottobre 2023, il premio Nobel in fisica per l'anno 2023 fu svelato, riconoscendo gli eccezionali contributi di tre scienziati che hanno svolto ruoli fondamentali come pionieri nel regno della tecnologia laser Attosecondi.

Il termine "Laser Attosecondo" deriva dal suo nome dalla scala temporale incredibilmente breve su cui opera, in particolare nell'ordine di Attosecondi, corrispondente a 10^-18 secondi. Per capire il profondo significato di questa tecnologia, è fondamentale una comprensione fondamentale di ciò che un attosecondo è fondamentale. Un Attosecondo si erge come un'unità di tempo estremamente minuscole, che costituisce un miliardo di miliardo di secondo nel contesto più ampio di un singolo secondo. Per metterlo in prospettiva, se dovessimo paragonare un secondo a una montagna torreggiante, un attosecondo sarebbe simile a un singolo chicco di sabbia immerso alla base della montagna. In questo fugace intervallo temporale, anche la luce può appena attraversare una distanza equivalente alle dimensioni di un singolo atomo. Attraverso l'utilizzo dei laser di Attosecondi, gli scienziati ottengono la capacità senza precedenti di esaminare e manipolare la dinamica intricata degli elettroni all'interno delle strutture atomiche, simile a un replay a moto lento frame per telaio in una sequenza cinematografica, che si infrange in tal modo nel loro interplay.

Laser AttosecondiRappresentare il culmine di ampie ricerche e sforzi concertati da parte degli scienziati, che hanno sfruttato i principi dell'ottica non lineare per creare laser ultrafast. Il loro Avvento ci ha fornito un punto di vista innovativo per l'osservazione e l'esplorazione dei processi dinamici che traspirano all'interno di atomi, molecole e persino elettroni in materiali solidi.

Per chiarire la natura dei laser Attosecondi e apprezzare i loro attributi non convenzionali rispetto ai laser convenzionali, è imperativo esplorare la loro categorizzazione all'interno della più ampia "famiglia laser". La classificazione per lunghezza d'onda colloca i laser di attosecondi prevalentemente all'interno della gamma di frequenze a raggi X ultraviletta e morbide, significando le loro lunghezze d'onda notevolmente più brevi in ​​contrasto con i laser convenzionali. In termini di modalità di output, i laser Attosecondi rientrano nella categoria dei laser pulsati, caratterizzati dalle loro durate di impulso estremamente brevi. Per disegnare un'analogia per la chiarezza, si può immaginare i laser a onde continue come simili a una torcia emettendo un raggio di luce continuo, mentre i laser pulsati assomigliano a una luce stroboscopica, alternandosi rapidamente tra periodi di illuminazione e oscurità. In sostanza, i laser di Attosecondi mostrano un comportamento pulsante all'interno dell'illuminazione e dell'oscurità, ma la loro transizione tra i due stati traspare a una frequenza sorprendente, raggiungendo il regno degli Attosecondi.

Ulteriore categorizzazione da parte di potenza colloca i laser a bassa potenza, media potenza e ad alta potenza. I laser Attosecondi ottengono un'alta potenza di picco a causa delle loro durate di impulsi estremamente corti, con conseguente potenza di picco pronunciata (P), definita come intensità di energia per unità di tempo (P = W/T). Sebbene i singoli impulsi laser attosecondi possano non possedere energia eccezionalmente grande (W), la loro estensione temporale abbreviata (T) li impartisce con elevata potenza di picco.

In termini di domini di applicazione, i laser coprono uno spettro che comprende applicazioni industriali, mediche e scientifiche. I laser Attosecondi trovano principalmente la loro nicchia nel regno della ricerca scientifica, in particolare nell'esplorazione di fenomeni in rapida evoluzione all'interno dei settori della fisica e della chimica, offrendo una finestra sui rapidi processi dinamici del mondo microcosmico.

La categorizzazione dei medium laser delinea i laser come laser a gas, laser a stato solido, laser liquidi e laser a semiconduttore. La generazione di laser Attosecondi in genere dipende dai media laser a gas, capitalizzando sugli effetti ottici non lineari per generare armoniche di alto ordine.

In sintesi, i laser Attosecondi costituiscono una classe unica di laser a impulsi corti, distinta per le loro durate di impulsi straordinariamente brevi, tipicamente misurate in Attosecondi. Di conseguenza, sono diventati strumenti indispensabili per osservare e controllare i processi dinamici ultravelinamici degli elettroni all'interno di atomi, molecole e materiali solidi.

L'elaborato processo di generazione laser attosecondi

La tecnologia laser Attosecondo si trova in prima linea nell'innovazione scientifica, che vanta un insieme intrigantemente rigoroso di condizioni per la sua generazione. Per chiarire le complessità della generazione laser Attosecondi, iniziamo con un'esposizione concisa dei suoi principi sottostanti, seguiti da vivide metafore derivate dalle esperienze quotidiane. I lettori non svuotati nelle complessità della fisica pertinente non devono disperare, poiché le metafore che seguono mirano a rendere accessibile la fisica fondamentale dei laser Attosecondi.

Il processo di generazione dei laser Attosecondi si basa principalmente sulla tecnica nota come alta generazione armonica (HHG). In primo luogo, un raggio di impulsi laser a femtosecondi ad alta intensità (10^-15 secondi) è strettamente focalizzato su un materiale bersaglio gassoso. Vale la pena notare che i laser femtosecondi, simili ai laser di Attosecondi, condividono le caratteristiche del possesso di durate a impulsi corti e ad alta potenza di picco. Sotto l'influenza dell'intenso campo laser, gli elettroni all'interno degli atomi di gas sono momentaneamente liberati dai loro nuclei atomici, entrando in modo transitorio in uno stato di elettroni liberi. Mentre questi elettroni oscillano in risposta al campo laser, alla fine tornano e si ricombinano con i loro nuclei atomici genitori, creando nuovi stati ad alta energia.

Durante questo processo, gli elettroni si muovono a velocità estremamente elevate e dopo la ricombinazione con i nuclei atomici, rilasciano energia aggiuntiva sotto forma di elevate emissioni armoniche, manifestandosi come fotoni ad alta energia.

Le frequenze di questi fotoni ad alta energia di nuova generazione sono multipli interi della frequenza laser originale, formando ciò che viene definito armoniche di alto ordine, in cui "armoniche" indica frequenze che sono multipli integrali della frequenza originale. Per raggiungere i laser Attosecondi, diventa necessario filtrare e focalizzare queste armoniche di alto ordine, selezionando armoniche specifiche e concentrandole in un punto focale. Se lo si desidera, le tecniche di compressione degli impulsi possono abbreviare ulteriormente la durata dell'impulso, producendo impulsi ultra-short nella gamma di Attosecondi. Evidentemente, la generazione di laser attosecondi costituisce un processo sofisticato e sfaccettato, che chiede un alto grado di abilità tecnica e attrezzature specializzate.

Per demistificare questo intricato processo, offriamo un parallelo metaforico radicato negli scenari di tutti i giorni:

Impulsi laser femtosecondi ad alta intensità:

Immagini che possiede una catapulta eccezionalmente potente in grado di lanciare istantaneamente pietre a velocità colossali, simile al ruolo svolto da impulsi laser femtosecondi ad alta intensità.

Materiale target gassoso:

Immagina un corpo tranquillo d'acqua che simboleggia il materiale bersaglio gassoso, in cui ogni goccia d'acqua rappresenta una miriade di atomi di gas. L'atto di spingere le pietre in questo corpo d'acqua rispecchia analogamente l'impatto degli impulsi laser femtosecondi ad alta intensità sul materiale bersaglio gassoso.

Movimento elettronico e ricombinazione (transizione fisicamente definita):

Quando gli impulsi laser femtosecondi influiscono sugli atomi di gas all'interno del materiale bersaglio gassoso, un numero significativo di elettroni esterni è momentaneamente eccitato da uno stato in cui si staccano dai rispettivi nuclei atomici, formando uno stato simile al plasma. Poiché l'energia del sistema diminuisce successivamente (poiché gli impulsi laser vengono pulsati intrinsecamente, con intervalli di cessazione), questi elettroni esterni tornano alle loro vicinanze dei nuclei atomici, rilasciando fotoni ad alta energia.

Generazione alta armonica:

Immagina ogni volta che una goccia d'acqua ricade sulla superficie del lago, crea increspature, proprio come le armoniche elevate nei laser Attosecondi. Queste increspature hanno frequenze e ampiezze più elevate rispetto alle increspature originali causate dall'impulso laser di femtosecondi primari. Durante il processo HHG, un potente raggio laser, simile a lanciare continuamente pietre, illumina un bersaglio a gas, simile alla superficie del lago. Questo intenso campo laser spinge gli elettroni nel gas, analoghi alle increspature, lontano dai loro atomi dei genitori e poi li tira indietro. Ogni volta che un elettrone ritorna sull'atomo, emette un nuovo raggio laser con una frequenza più alta, simile a modelli a catena più intricati.

Filtro e focus:

La combinazione di tutte queste travi laser di nuova generazione produce uno spettro di vari colori (frequenze o lunghezze d'onda), alcuni dei quali costituiscono il laser Attosecondo. Per isolare specifiche dimensioni e frequenze a catena, è possibile utilizzare un filtro specializzato, simile alla selezione delle increspature desiderate e impiegare una lente d'ingrandimento per focalizzarli su un'area specifica.

Compressione degli impulsi (se necessario):

Se miri a propagare increspature più velocemente e più corto, puoi accelerare la loro propagazione utilizzando un dispositivo specializzato, riducendo il tempo che dura ogni ondulazione. La generazione di laser attosecondi comporta una complessa interazione di processi. Tuttavia, quando scomposto e visualizzato, diventa più comprensibile.