Svijet borilačkih vještina, samo brzo.
Ponekad ćemo staviti vrlo kratko vrijeme, opisano kao "vrijeme otkucaja srca", a trajanje otkucaja srca je 10 na 18. potenciju sekunde.
U nedavnom eksperimentu sličnom stop-motion fotografiji, tim znanstvenika iz Sjedinjenih Američkih Država i Njemačke prvi je put uhvatio "zamrznute kadrove" elektrona koji se kreću u tekućoj vodi u stvarnom vremenu, a rezultati su objavljeni u časopisu Science.
Stručnjaci iz žirija objašnjavaju rezultate istraživanja dobitnika Nobelove nagrade za fiziku 2023. na proglašenju Nobelove nagrade za fiziku 2023. u Stockholmu, Švedska, 3. listopada 2023.
Prema riječima stručnjaka, rezultat označava veliki napredak u eksperimentalnoj fizici, pružajući prozor u elektroničku strukturu molekula u tekućinama na vremenskim skalama koje su prije bile nedostižne X-zrakama. Ranije su znanstvenici mogli razlučiti samo kretanje elektrona na vremenskoj skali od pikosekunde (1 sekunda=1 trilijun pikosekundi). Sada, sposobnost proučavanja elektroničkih reakcija X-zraka koje pogađaju metu na skali atosekunde omogućuje istraživačima da zadube u kemijske reakcije izazvane zračenjem milijun puta brže od prethodnih metoda.
Sve ukazuje na to da bi atosekundni laser mogao biti ključ za otključavanje tajanstvenog svijeta elektronike.
Što je "atosekunda"?
Za obične ljude, atosekunda je izuzetno čudan koncept.
Zapravo, već u razdoblju Zaraćenih država, poznati kineski mislilac, leš Kao, iznio je "četiri strane gore i dolje, rekao je Yu, drevni i moderni rekao je Zeus", jednostavan pogled na prostor i vrijeme. Do danas, na čelu istraživanja fizike, prostor i vrijeme još uvijek su najvažnije i temeljne dvije dimenzije.
Što se tiče ljudskih osjetila, kada se objekt brzo kreće, njegove slike su mutne i preklapaju se, a promjene koje se događaju u vrlo kratkom vremenskom razdoblju ne mogu se uočiti. Stoga je važno da znanstvenici razviju preciznije "prozore vremena" kako bi uhvatili ili prikazali te vrlo kratke trenutke.
U 19. stoljeću u fizici se mnogo govorilo i raspravljalo o pitanju: kada konj trči, napuštaju li sve četiri noge tlo u isto vrijeme?
Ovo pitanje jako je zanimalo američkog poduzetnika Lelanda Stanforda. Kako bi provjerio tu pretpostavku, obratio se poznatom fotografu Edvardu Muybridgeu. U to vrijeme video funkcija još nije bila rođena, kada je vrijeme odziva okidača kamere bilo 15 sekundi, ponekad čak i do minute.
Konji nisu htjeli usporiti kako bi se pobrinuli za okidač fotoaparata, a njihova klepetava kopita bila su najveća prepreka provjeri ove hipoteze. Edvard Maibridge nije tako lako odustao, imao je sjajnu ideju, ne samo poboljšati dizajn zatvarača kamere, već je također postavio 12 kamera i mehanizama na pistu. Kad god bi se konj približio kameri, mehanizam bi se aktivirao i nastala bi fotografija. Na kraju je spojio 12 fotografija, što je cijeli proces trčanja konja.
Gledajući spojene fotografije, ljudi su ubrzo pronašli odgovor na pitanje: kada konj trči, on doista može uhvatiti trenutak - njegove četiri noge istovremeno odmiču s tla.
3. listopada 2023. Kraljevska švedska akademija znanosti objavila je da je Nobelovu nagradu za fiziku za tu godinu dodijelila Pierreu Agostiniju, Ferencu Kraussu i Anne Lhuillier za njihovu "eksperimentalnu metodu za generiranje atosekundnih svjetlosnih impulsa za proučavanje dinamike elektrona u materiji."
"Sada možemo otvoriti vrata u svijet elektrona. Attosekundna fizika nam je dala priliku da razumijemo mehanizme elektroničke kontrole. Sljedeći korak bit će njihovo iskorištavanje." Tako kaže Eva Olson, predsjednica Nobelovog odbora za fiziku.
Kad su znanstvenici svoju perspektivu zaronili u svijet elektrona, otkrili su da brzina promjene položaja i energije varira između jedne i nekoliko stotina atosekundi, pri čemu je jedna atosekunda milijardni dio sekunde. Tehnologija atosekundnog pulsirajućeg svjetla najbrža je vremenska ljestvica koja je trenutačno dostupna čovječanstvu, a ona je poput ravnala, što je ravnalo finije, to je veća preciznost mjerljivog.
Yuan Lanfeng, zamjenik direktora Odjela za znanost i tehnološku komunikaciju, Fakultet za humanističke i društvene znanosti, Sveučilište za znanost i tehnologiju Kine, rekao je da se atosekundni svjetlosni puls može shvatiti kao princip kamere velike brzine, te da kamera s velikom brzinom reakcije potrebna je za snimanje prekrasnih trenutaka procesa kretanja osobe. Attosekundni svjetlosni puls je "kamera velike brzine" u istraživanju mikroskopskih reakcija.
U prošlosti je vremensko ograničenje za laserske impulse bilo "femtosekunda", što je bilo dovoljno da ljudi vide atome, ali za elektrone, vremenska rezolucija od "femtosekunde" bila je toliko gruba da se, prema ovoj ljestvici, moglo dobiti samo efekt poput mozaika. Koherentni svjetlosni impulsi napreduju od femtosekundi
Napredak koherentnih svjetlosnih impulsa od femtosekunde do atosekunde nije samo jednostavan napredak u vremenskoj skali, nego što je još važnije, unapređuje sposobnost ljudi da proučavaju strukturu materije od gibanja atoma i molekula do unutrašnjosti atoma, gdje mogu ispitati kretanje i korelacijsko ponašanje elektrona, što će dovesti do velike revolucije u temeljnom istraživanju fizike.
Što će atosekunda donijeti običnim ljudima?
Jednog dana 1999. Ahmed Xavier, profesor na Kalifornijskom institutu za tehnologiju, dobio je Nobelovu nagradu za kemiju za svoje otkriće. Xavierovo istraživanje iz 1980-ih, korištenjem laserske zrake za snimanje oscilacija atoma u prijelaznom stanju, pomoglo je znanstvenicima da promatraju atome i molekule u procesu kemijskih reakcija u "usporenom snimku", te tako proučavaju prirodu i strukturu prijelazno stanje. Zbog toga je Xavier poznat i kao "otac femtosekundne kemije".
Od tada su znanstvenici shvatili da laseri, poput munje, mogu uhvatiti te prolazne trenutke. Ovo je otkriće dalo teorijsku osnovu za niz razornih studija.
Danas je brzina ovog lasera nadograđena tisuću puta, uspješno realizirajući drastičnu promjenu s femtosekundi na atosekunde.
U današnje vrijeme, kada ljudi spomenu femtosekundni laser, često se mogu sjetiti mnogih primjena koje predstavlja operacija kratkovidnosti femtosekundnim laserom. A kad je riječ o atosekundnom laseru, čini se da je teško ovaj pojam povezati s produktivnim životom običnih ljudi.
Yuan Lanfeng je iskreno rekao, "a-sekundni laser trenutno nije od velike koristi, njegova je primjena tek počela, a još uvijek je sve zapelo u temeljnim istraživanjima." Međutim, to ne znači da atosekundni svjetlosni puls nema potencijala primjene, "on otvara vrata, ali ono što je iza tih vrata još treba da dubinski istražimo." On je rekao.
Dakle, što je iza tih vrata?
Sustav ablacije pulsirajućim poljem fotografiran na štandu Medtronica u sekciji Medicinski uređaji i zdravstvo 6. sajma 5. studenog 2023.
„Gibanje elektrona odgovorno je za stvaranje svjetlosti, kao i za formiranje i kidanje kemijskih veza koje mijenjaju strukturu biomolekula i njihovu funkciju u živim sustavima, te za što bržu obradu informacija ...... Danas koristimo atosekundne svjetlosne impulse kako bismo bolje razumjeli mikroskopske procese koji uključuju elektrone, atome i molekule i saznali kako oni utječu na makroskopski svijet." Prije toga, nakon što je osvojio Wolfovu nagradu za fiziku, Ferenc Krauss je na ovaj način izjavio vrijednost primjene atosekundne fizike.
S druge strane, Eva Olson rekla je da nam fizika atosekunde daje priliku razumjeti mehanizme elektroničke kontrole, otvarajući put potencijalnim primjenama u industriji elektroničkih informacija i medicini.
Wei Zhiyi, istraživač na Institutu za fiziku Kineske akademije znanosti, vjeruje da se tehnologija može kombinirati sa supravodljivošću, nanomaterijalima, fotonaponskom industrijom, farmaceutskim proizvodima, laserskom medicinom i drugim područjima kako bi se promicalo dublje razumijevanje strukture materije od strane čovječanstva, što će dovesti do relevantnog revolucionarnog napretka.
Bez sumnje, iako je trenutna primjena atosekundne fizike još uvijek daleko od mašte nekih ljudi, ona ima iznimno širok raspon scenarija primjene.
Čovječanstvu daje par "inteligentnih očiju" za proučavanje mikroskopskog svijeta.
Uz njegovu podršku, mnogi mikroskopski procesi više neće zahtijevati "posredni dokaz" da bi bili potvrđeni, već se mogu izravno promatrati: atosekundni laser može se koristiti za fotografiranje raznih procesa gibanja velike brzine, kao što su kemijske reakcije, molekularne gibanja i gibanja atomskih razmjera.
Fotografiranje kemijskih reakcija atosekundnim laserima može pomoći znanstvenicima da bolje razumiju mehanizme reakcija i dodatno poboljšaju kemijske procese. Fotografiranje gibanja molekula i atoma atosekundnim laserima može otkriti njihove interakcije i kinetičke procese, koji su važni za istraživanja u znanosti o materijalima i bioznanosti.
U području biomedicine, na primjer, očekuje se da će tehnologija snimanja atosekundnih impulsa visoke razlučivosti poboljšati ranu dijagnozu i liječenje bolesti te omogućiti nova otkrića u proučavanju raka, neuroloških bolesti i drugih velikih medicinskih izazova.
Podrazumijeva se da tim Ferenca Kraussa također pokušava koristiti tehnike femtosekunde i atosekunde za analizu uzoraka krvi i otkrivanje malih promjena u njima. Analiziraju jesu li te promjene dovoljno specifične da bi se mogla jasno dijagnosticirati bolest u početnoj fazi bolesti, ova tehnologija bi mogla imati značajan utjecaj na proučavanje raka i drugih teških bolesti.
Ubrzanje "atosekundne ere"?
2021. godine časopis Science objavio je "125 najsuvremenijih svjetskih znanstvenih problema", od kojih više od 10 treba riješiti ultrabrzom znanošću. Očekuje se da će pojava atosekundnih impulsa dovesti do više originalnih inovacija u nekoliko područja znanstvenih i primijenjenih istraživanja.
Attosekundni laser, nije dar prirode, već čudo koje je napravio čovjek.
Francuska fizičarka Anne Lhuillier prva je otkrila alate za otvaranje svijeta atosekundi. 1987. radila je eksperimente s ionizacijom plina, valnom duljinom od 1064 nanometra laserskog svjetla u argon i nekoliko drugih rijetkih plinova, činilo se da je plin drugačije boje od prethodnih eksperimenata.
Zatim je objavila ključni rad, otkrivajući fenomen visokih harmonika generiranih jakim laserskim zračenjem plemenitih plinova, i dobila tipičnu spektralnu strukturu visokih harmonika, čija spektralna širina može podržati pulseve reda veličine attosekundi, pružajući preduvjeti za proboj laserskih impulsa na atosekunde. Od tada su njezina istraživačka karijera i atosekundni laseri usko isprepleteni, a 16 godina kasnije predvodila je tim istraživača koji je postavio svjetski rekord za najkraći laserski puls od 170 atosekundi.
Dvoje drugih znanstvenika koji su zajedno s njom dobili Nobelovu nagradu za fiziku također su dodali "atosekundnoj zgradi": Mađar Ferenc Kraus vodio je tim istraživača koji su 2001. stvorili i izmjerili prvi atosekundni svjetlosni puls, te ga upotrijebio za snimanje kretanje elektrona unutar atoma, označavajući rođenje atosekundne fizike. Osim toga, njegov je tim uspio izolirati impulse u trajanju od 650 atosekundi, što je prvi put da su znanstvenici uspješno pratili odvajanje elektrona od atoma. Francuz Pierre Agostini, predvodnik u interakciji lasera jakog polja s atomima, i njegov tim bili su pioniri atosekundne fizike generiranjem i mjerenjem atosekundnih svjetlosnih impulsa po prvi put i njihovom upotrebom za hvatanje gibanja elektrona unutar atoma.
Danas se sve više znanstvenika natječe za prvo mjesto u tom području u mnogim dijelovima svijeta.
U laboratoriju su plodonosni rezultati česti: 2022. godine istraživači sa Sveučilišta u Michiganu i Sveučilišta u Regensburgu u Njemačkoj surađivali su kako bi uhvatili kretanje elektrona unutar nekoliko stotina atosekundi, što je najveća brzina dosad.
Iste godine, tim istraživača iz Centra za naprednu fotoniku RIKEN instituta za znanost i kemiju u Japanu i Sveučilišta u Tokiju surađivali su na razvoju nove vrste interferometra za rješavanje rubova koji proizlaze iz optičke interferencije koja potječe od atosekundnih impulsa i kvantne interferencije s elektronskim stanjima u materiji. Oni su demonstrirali izvedivost sheme interferometra postgenerativnim razdvajanjem visokih harmonijskih impulsa kroz eksperimente s uzorcima atoma helija.
Osim toga, započela je međunarodna izgradnja i natjecanje za postrojenje s atosekundnim laserom. Zagovarana od strane dobitnika Nobelove nagrade za fiziku Gérarda Mouroua i drugih, Europska unija preuzela je vodstvo u Mađarskoj u izgradnji Europskog postrojenja za ekstremnu svjetlost – Altosekundni izvor svjetlosti (ELI-ALPS) i promovirala je izgradnju međunarodno poznatih tvrtki kao što su kao Fastlite, Active Fiber i Light Conversion. Tvrtke za lasersku tehnologiju kao što su Fastlite, Active Fiber, Light Conversion i druge međunarodno poznate iteracije i nadogradnje proizvoda, ove nove generacije laserske tehnologije igrat će važnu ulogu u naprednoj proizvodnji, znanosti i tehnologiji nacionalne obrane i drugim poljima.
U Kini, relevantne znanstvene istraživačke jedinice provode izgradnju infrastrukture atosekundnih izvora svjetlosti u velikim razmjerima, kao što je Institut za fiziku Kineske akademije znanosti i Laboratorij za materijale jezera Songshan u Dongguanu, pokrajina Guangdong, jezero Songshan za izgradnju attosecond znanstveni centar. Podrazumijeva se da se nakon završetka ovog centra očekuje postizanje vodećih međunarodnih sveobuhvatnih pokazatelja.
