A harcművészetek világa, csak gyorsan.
Néha nagyon rövid időt adunk meg, amelyet "szívverés idejének" neveznek, és a szívverés időtartama 10-18.
A közelmúltban, a stop-motion fényképezéshez hasonló kísérletben az Egyesült Államokból és Németországból álló tudósok csoportja először rögzítette valós időben folyékony vízben mozgó elektronok "fagyott képkockáit", az eredményeket a Science folyóiratban publikálták.
A zsűri szakértői ismertetik a 2023. évi fizikai Nobel-díjasok kutatási eredményeit a 2023. évi fizikai Nobel-díj kihirdetésén, Stockholmban, Svédországban, 2023. október 3-án.
A szakértők szerint az eredmény jelentős előrelépést jelent a kísérleti fizikában, ablakot nyit a folyadékokban lévő molekulák elektronszerkezetébe olyan időskálán, amely korábban röntgensugárzással elérhetetlen volt. Korábban a tudósok csak pikoszekundumos (1 másodperc=1 billió pikoszekundum) időskálán tudták feloldani az elektronok mozgását. Az attoszekundumos skálán célba érő röntgensugárzás elektronikus reakcióinak tanulmányozása lehetővé teszi a kutatóknak, hogy a korábbi módszereknél milliószor gyorsabban ássanak bele a sugárzás által kiváltott kémiai reakciókba.
Minden jel arra mutat, hogy az attoszekundumos lézer lehet a kulcs az elektronika titokzatos világának feltárásához.
Mi az "attoszekundum"?
A hétköznapi emberek számára az attoszekundum rendkívül furcsa fogalom.
Valójában már a háborúzó államok időszakában, Kína híres gondolkodója, a holttest, Kao előterjesztette "négy oldalról felfelé és lefelé mondta Yu, ősi és modern mondta Zeusz", az egyszerű nézet a tér és az idő. A fizikai kutatások élvonalában a mai napig a tér és az idő a legfontosabb és legalapvetőbb két dimenzió.
Ami az emberi érzékszerveket illeti, amikor egy tárgy gyors mozgásban van, képei elmosódnak, átlapolódnak, és nagyon rövid időn belül bekövetkező változások nem figyelhetők meg. Ezért fontos, hogy a tudósok pontosabb "időablakokat" dolgozzanak ki, hogy megragadják vagy ábrázolják ezeket a nagyon rövid pillanatokat.
A 19. században egy sokat emlegetett és vitatott kérdés volt a fizikában: amikor egy ló fut, mind a négy lába egyszerre hagyja el a talajt?
Leland Stanford amerikai vállalkozót nagyon érdekelte ez a kérdés. Hogy ezt a sejtést igazolja, felkereste Edvard Muybridge híres fotóst. Akkoriban még nem született meg a videó funkció, amikor a kamerazár válaszideje 15 másodperc volt, esetenként akár egy perc is.
A lovak nem lassítottak, hogy vigyázzanak a kamerazárra, és a csattogó patájuk volt a legnagyobb akadály a hipotézis igazolásában. Edvard Maibridge nem adta fel olyan könnyen, a remek ötlete támadt, nem csak a kamerák redőnyének kialakítását, hanem 12 kamerát és mechanizmust is elhelyezett a kifutón. Amikor a ló a kamerához közeledett, a mechanizmus működésbe lép, és fénykép készült. Végül összerakta a 12 fotót, ami a lófutás teljes folyamata.
Az összeillesztett fényképeket nézegetve az emberek hamar megtalálták a választ arra a kérdésre: amikor egy ló fut, valóban meg tud örökíteni egy pillanatot – négy lába egyszerre hagyja el a talajt.
2023. október 3-án a Svéd Királyi Tudományos Akadémia bejelentette, hogy az idei fizikai Nobel-díjat Pierre Agostininek, Krauss Ferencnek és Anne Lhuilliernek ítélte oda „az attoszekundumos fényimpulzusok generálására szolgáló kísérleti módszerükért elektronok az anyagban."
"Most megnyithatjuk az ajtót az elektronok világa felé. Az attoszekundumos fizika lehetőséget adott számunkra, hogy megértsük az elektronikus vezérlés mechanizmusait. A következő lépés ezek kiaknázása lesz." Ezt mondja Eva Olson, a Fizikai Nobel-bizottság elnöke.
Amikor a tudósok belemerültek az elektronok világába, felfedezték, hogy a pozíció- és energiaváltozás sebessége egy és több száz attoszekundum között változik, ahol egy attoszekundum a másodperc egymilliárd része. Az attoszekundumos pulzáló fény technológiája az emberiség számára jelenleg elérhető leggyorsabb időskála, és olyan, mint egy vonalzó, minél finomabb a vonalzó skálája, annál pontosabb a mérhető.
Yuan Lanfeng, a Kínai Tudományos és Technológiai Egyetem Bölcsészet- és Társadalomtudományi Karának Tudományos és Technológiai Kommunikációs Tanszékének igazgatóhelyettese elmondta, hogy az attoszekundumos fényimpulzus felfogható a nagy sebességű kamera alapelveként, és gyors reakciósebességű kamera szükséges az ember mozgási folyamatának csodálatos pillanatainak megörökítéséhez. Az attoszekundumos fényimpulzus a "nagy sebességű kamera" a mikroszkópos reakciókutatásban.
Régebben a lézerimpulzusok időkorlátja „femtoszekundum” volt, ami elég volt ahhoz, hogy az emberek lássák az atomokat, de az elektronok esetében a „femtoszekundum” időfelbontása olyan durva volt, hogy e skála szerint csak egy mozaikszerű hatás. A koherens fényimpulzusok femtoszekundumról haladnak
A koherens fényimpulzusok femtoszekundumról attoszekundumra való haladása nemcsak egyszerű előrelépést jelent az időskálán, hanem ami még fontosabb, az emberek azon képességét, hogy tanulmányozzák az anyag szerkezetét az atomok és molekulák mozgásától az atomok belsejéig, ahol ezt megtehetik. az elektronok mozgási és korrelációs viselkedésének szondája, ami nagy forradalomhoz vezet a fizikai alapkutatásban.
Mit hoz az attoszekundum a hétköznapi embereknek?
1999-ben egy napon Ahmed Xavier, a California Institute of Technology professzora felfedezéséért elnyerte a kémiai Nobel-díjat. Xavier kutatásai az 1980-as években, amikor lézersugárral filmezték az atomok átmeneti állapotú rezgését, segítette a tudósokat abban, hogy „lassított mozgásban” megfigyeljék az atomokat és molekulákat a kémiai reakciók folyamatában, és így tanulmányozzák az atomok természetét és szerkezetét. átmeneti állapot. Emiatt Xavier a "femtoszekundumos kémia atyjaként" is ismert.
Azóta a tudósok rájöttek, hogy a lézerek, akárcsak a villám, képesek megörökíteni ezeket a röpke pillanatokat. Ez a felfedezés adta az elméleti alapot egy sor bomlasztó tanulmányhoz.
Ma ennek a lézernek a sebességét ezerszer megnövelték, sikeresen megvalósítva a drasztikus változást femtoszekundumról attoszekundumra.
Manapság, amikor az emberek a femtoszekundumos lézert említik, gyakran eszükbe jut a femtoszekundumos lézeres myopia műtét által képviselt számos alkalmazás. És ami az attoszekundumos lézert illeti, nehéznek tűnik ezt a kifejezést a hétköznapi emberek produktív életével összekapcsolni.
Yuan Lanfeng őszintén azt mondta: "Az egy másodperces lézert jelenleg nem nagyon használják, alkalmazása még csak most kezdődött, és még mindig az alapkutatásban rekedt." Ez azonban nem jelenti azt, hogy az attoszekundumos fényimpulzusnak ne lenne alkalmazási lehetősége, "ajtót nyit, de ami az ajtó mögött van, azt még alaposan meg kell vizsgálnunk." Ő mondta.
Szóval mi van az ajtó mögött?
Impulzus-mezős ablációs rendszer fényképezve a Medtronic standján a 6. Vásár Orvosi eszközök és egészségügyi részlegében 2023. november 5-én
"Az elektronmozgás felelős a fény generálásáért, valamint a biomolekulák szerkezetét és az élő rendszerekben való működésüket megváltoztató kémiai kötések kialakulásáért és felszakadásáért, valamint az információ lehető leggyorsabb feldolgozásáért...... Ma már attoszekundumos fényimpulzusokat, hogy jobban megértsük az elektronokat, atomokat és molekulákat magában foglaló mikroszkopikus folyamatokat, és megtudjuk, hogyan hatnak ezek a makroszkopikus világra." Korábban Krauss Ferenc a fizikai Wolf-díj elnyerése után nyilatkozott így az attoszekundumos fizika alkalmazásainak értékéről.
Eva Olson ezzel szemben azt mondta, hogy az attoszekundumos fizika lehetőséget ad az elektronikus vezérlés mechanizmusainak megértésére, megnyitva az utat az elektronikus információs iparban és az orvostudományban való lehetséges alkalmazások előtt.
Wei Zhiyi, a Kínai Tudományos Akadémia Fizikai Intézetének kutatója úgy véli, hogy a technológia kombinálható szupravezetéssel, nanoanyagokkal, fotovoltaikus iparral, gyógyszerekkel, lézergyógyászattal és más területekkel a szerkezet mélyebb megértése érdekében. az emberiség által az anyagra, ami jelentős forradalmi előrelépésekhez vezet.
Kétségtelen, hogy bár az attoszekundumos fizika jelenlegi alkalmazása még távol áll egyesek képzeletétől, alkalmazási forgatókönyveinek rendkívül széles skálája van.
Egy pár "intelligens szemet" biztosít az emberiségnek a mikroszkopikus világ tanulmányozásához.
Támogatásával számos mikroszkopikus folyamat nem igényel „körülményes bizonyítékot” a megerősítéshez, hanem közvetlenül megfigyelhető: az attoszekundumos lézerrel számos nagy sebességű mozgási folyamatot lehet fényképezni, például kémiai reakciókat, molekuláris léptéket. mozgás és atomi léptékű mozgás.
A kémiai reakciók attoszekundumos lézerekkel történő fényképezése segíthet a tudósoknak jobban megérteni a reakciómechanizmusokat és tovább javítani a kémiai folyamatokat. A molekulák és atomok mozgásának attoszekundumos lézerekkel történő fényképezése feltárhatja kölcsönhatásaikat és kinetikai folyamataikat, amelyek fontosak az anyagtudományi és biotudományi kutatások szempontjából.
A biomedicina területén például az attoszekundumos impulzusok nagy felbontású képalkotó technológiája várhatóan elősegíti a betegségek korai diagnosztizálását és kezelését, valamint új áttörést jelent a rák, a neurológiai betegségek és más jelentős orvosi kihívások kutatásában.
Úgy tudni, Krauss Ferenc csapata femtoszekundumos és attoszekundumos technikákkal is igyekszik vérmintákat elemezni és kis változásokat kimutatni bennük. Azt elemzik, hogy ezek a változások elég specifikusak-e ahhoz, hogy egyértelműen diagnosztizálni lehessen a betegséget a betegség kezdeti szakaszában, ez a technológia jelentős hatással lehet a rák és más nehéz betegségek tanulmányozására.
Az "attoszekundumos korszak" felgyorsulása?
2021-ben a Science magazin közzétette „a világ 125 legkorszerűbb tudományos problémáját”, amelyek közül több mint 10-et az ultragyors tudománynak kell megoldania. Az attoszekundumos impulzusok megjelenése várhatóan eredetibb innovációkhoz vezet a tudományos és alkalmazott kutatás számos területén.
Az attoszekundumos lézer, nem a természet ajándéka, hanem ember alkotta csoda.
Anne Lhuillier francia fizikus volt az első, aki felfedezte az attoszekundumok világának feltárására szolgáló eszközöket. 1987-ben gázionizációs kísérleteket végzett, 1064 nanométeres lézerfény hullámhosszát argonba és számos más ritka gázba, a gáz a korábbi kísérletektől eltérő színűnek tűnt.
Ezt követően publikált egy kulcsfontosságú tanulmányt, amelyben felfedezte a nemesgázok erős lézeres besugárzása által generált magas harmonikusok jelenségét, és megkapta a magas harmonikusok tipikus spektrális szerkezetét, amelyek spektrális szélessége képes volt támogatni az attoszekundum nagyságrendű impulzusokat. a lézerimpulzusok attoszekundumokra való áttörésének előfeltételei. Azóta kutatói pályafutása és az attoszekundumos lézerek szorosan összefonódnak, és 16 évvel később egy kutatócsoportot vezetett, hogy felállítsák a legrövidebb, 170 attoszekundumos lézerimpulzus világrekordját.
A vele együtt fizikai Nobel-díjas két másik tudós is hozzátette az "attoszekundumos épületet": a magyar Kraus Ferenc kutatócsoport vezetésével 2001-ben megalkotta és megmérte az első attoszekundumos fényimpulzust, és ezzel rögzítette a elektronok mozgása az atomokon belül, ami az attoszekundumos fizika születését jelzi. Emellett csapatának sikerült 650 attoszekundumig tartó impulzusokat izolálnia, ami az első alkalom, hogy a tudósok sikeresen követték nyomon az elektronok leválását az atomoktól. A francia Pierre Agostini, aki az erős térerejű lézerek atomokkal való kölcsönhatásának egyik vezetője, és csapata úttörő szerepet játszott az attoszekundumos fizikában azáltal, hogy először generált és mért attoszekundumos fényimpulzusokat, és ezek segítségével rögzítette az atomokon belüli elektronok mozgását.
Napjainkban a világ számos részén több tudós verseng a szakterület első helyéért.
A laboratóriumban gyakoriak a gyümölcsöző eredmények: 2022-ben a Michigani Egyetem és a németországi Regensburgi Egyetem kutatói együttműködtek, hogy megörökítsék az elektronok mozgását néhány száz attoszekundumon belül, ami az eddigi legnagyobb sebesség.
Ugyanebben az évben a japán RIKEN Tudományos és Kémiai Intézet Fejlett Fotonikai Központjának kutatócsoportja és a Tokiói Egyetem együttműködött egy új típusú interferométer kifejlesztésében az attoszekundumos impulzusokból származó optikai interferencia okozta peremek kezelésére. és az anyag elektronállapotaival való kvantuminterferencia. Az interferométer séma megvalósíthatóságát a nagy harmonikus impulzusok posztgeneratív felosztásával mutatták be hélium atommintákat használó kísérletekkel.
Emellett megkezdődött egy attoszekundumos lézeres létesítmény nemzetközi építése és versenye. Gérard Mourou Nobel-díjas fizikus és mások által szorgalmazott Európai Unió vezető szerepet vállalt Magyarországon az Európai Extreme Light Facility-Altoszekundumos Fényforrás (ELI-ALPS) építésében, és támogatta olyan nemzetközileg elismert cégek építését, mint pl. mint Fastlite, Active Fiber és Light Conversion. A lézertechnológiai cégek, mint például a Fastlite, az Active Fiber, a Light Conversion és más, nemzetközileg elismert termékek iterációja és korszerűsítése, ezek az új generációs lézertechnológiák fontos szerepet fognak játszani a fejlett gyártásban, a honvédelmi tudomány és technológia területén, valamint más területeken.
Kínában a megfelelő tudományos kutatóegységek nagy léptékű infrastruktúra-építést végeznek attoszekundumos fényforrásokból, mint például a Kínai Tudományos Akadémia Fizikai Intézete és a Songshan-tó Anyaglaboratóriuma Dongguanban (Guangdong tartomány, Songshan Lake) attoszekundumos tudományos központ. Magától értetődik, hogy a befejezése után a központ várhatóan elérni a nemzetközi vezető átfogó mutatók.
