Nagrajeni so bili za razvoj eksperimentalnih metod za ustvarjanje atosekundnih svetlobnih sunkov, ki omogočajo spremljati dinamiko elektronov v snovi.
Atosekundni svetlobni sunki so izredno kratki sunki svetlobe, dolgi le milijardinko milijardinke sekunde. Tako kratkih sunkov z navadnimi sunkovnimi laserji ne moremo ustvariti, saj ni mehanizma, ki bi omogočil tako hitro preklapljanje. Odkritje, ki je raziskovalcem prineslo Nobelovo nagrado, je omogočilo ustvarjanje sto- do tisočkrat krajših sunkov.
Prvi korak k odkritju je naredila Anne L’Huillier s sodelavci, ko je odkrila, da atomi žlahtnega plina, osvetljeni z zelo močnim laserjem, oddajajo svetlobo pri večkratnikih frekvence vpadne svetlobe, pri tako imenovanih višjih harmonikih. Z uporabo infrardeče vpadne svetlobe je dosegla, da je hkrati vzbudila do petnajst višjih harmonikov s primerljivo intenziteto in do okoli tridesetkrat višjo frekvenco valovanja.
Superpozicija svetlobnih valovanj z različnimi frekvencami lahko vodi do nastanka periodičnega zaporedja kratkih sunkov svetlobe. Pierre Agostini je s soavtorji s seštevanjem velikega števila višjih harmonikov ustvaril zaporedje kratkih sunkov, pri čemer je bila dolžina posameznega sunka 250 atosekund, razmik med dvema zaporednima sunkoma pa približno petkrat toliko. Skoraj istočasno je Ferenc Krausz ustvaril posamezne sunke, tako da je višje harmonike ustrezno filtriral. Izhodni sunki svetlobe so bili v območju mehke rentgenske svetlobe, njihova dolžina pa je bila okoli 650 atosekund. Meriti dolžino takih sunkov je bilo skoraj bolj zapleteno kot sunke ustvarjati.
Uporabnost atosekundne fizike se pokaže, ko pogledamo časovno skalo procesov v snovi. Dinamika atomov in molekul med kemijskimi reakcijami, na primer, poteka na skali femtosekunde, to je na skali milijoninke milijardinke sekunde. Za opazovanje teh procesov zadošča uporaba femtosekundnih laserjev, ki so že komercialno dobavljivi. (Mimogrede: za uporabo kratkih laserskih sunkov za proučevanje kemijskih reakcij je bila leta 1999 podeljena Nobelova nagrada za kemijo Egipčanu Ahmedu Zewailu, za ustvarjanje močnih femtosekundnih sunkov svetlobe pa sta Nobelovo nagrada za fiziko leta 2018 prejela Kanadčanka Donna Strickland in Francoz Gérard Mourou.)
Dinamika elektronov v atomih je približno tisočkrat hitrejša od dinamike atomov samih. Za opazovanje tako hitrih procesov, ki potekajo na časovni skali atosekund, so zato potrebni atosekundni sunki svetlobe. Nobelovi nagrajenci so s svojim delom omogočili vpogled v dinamiko elektronov in s tem odprli vrata za povsem nove raziskave osnovnih konceptov dogajanja v snovi in tudi za potencialne aplikacije, na primer v elektroniki ali medicini.
Tekst: dr. Mojca Vilfan, Institut “Jožef Stefan” in Univerza v Ljubljani, Fakulteta za matematiko in fiziko
Slike: Niklas Elmehed in Johan Jarnestad, Švedska kraljeva akademija znanosti
Več informacij: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/
