Katika tangazo muhimu jioni ya Oktoba 3, 2023, Tuzo ya Nobel ya Fizikia kwa mwaka wa 2023 ilizinduliwa, ikitambua michango bora ya wanasayansi watatu ambao wamechukua jukumu muhimu kama waanzilishi katika ulimwengu wa teknolojia ya leza ya attosecond.

Neno "leza ya attosecond" linatokana na muda mfupi sana unaotumika, hasa katika mpangilio wa attosecond, unaolingana na sekunde 10^-18. Ili kuelewa umuhimu mkubwa wa teknolojia hii, ufahamu wa msingi wa kile ambacho attosecond inaashiria ni muhimu sana. Attosecond inasimama kama kitengo cha muda cha dakika nyingi, ikiunda theluthi moja ya theluthi moja ya bilioni ya sekunde ndani ya muktadha mpana wa sekunde moja. Ili kuweka hili katika mtazamo, kama tungelinganisha sekunde na mlima mrefu, attosecond ingekuwa sawa na chembe moja ya mchanga iliyo kwenye msingi wa mlima. Katika kipindi hiki cha muda mfupi, hata mwanga hauwezi kupita umbali sawa na ukubwa wa atomi moja. Kupitia matumizi ya leza za attosecond, wanasayansi hupata uwezo usio wa kawaida wa kuchunguza na kudhibiti mienendo tata ya elektroni ndani ya miundo ya atomiki, sawa na marudio ya mwendo wa polepole wa fremu kwa fremu katika mfuatano wa sinema, na hivyo kuchunguza mwingiliano wao.

Leza za Attosecondinawakilisha kilele cha utafiti wa kina na juhudi za pamoja za wanasayansi, ambao wametumia kanuni za optiki zisizo za mstari kutengeneza leza zenye kasi ya juu. Ujio wao umetupa nafasi bunifu ya kutazama na kuchunguza michakato inayobadilika inayotokea ndani ya atomi, molekuli, na hata elektroni katika nyenzo ngumu.

Ili kufafanua asili ya leza za attosecond na kuthamini sifa zake zisizo za kawaida ikilinganishwa na leza za kawaida, ni muhimu kuchunguza uainishaji wake ndani ya "familia pana ya leza." Uainishaji kwa urefu wa wimbi huweka leza za attosecond zaidi ndani ya masafa ya miale ya X-ray hadi miale laini ya ultraviolet, ikiashiria urefu wao wa wimbi mfupi zaidi tofauti na leza za kawaida. Kwa upande wa hali za kutoa, leza za attosecond huanguka chini ya kategoria ya leza zenye mapigo, zinazojulikana kwa muda wao mfupi sana wa mapigo. Ili kuchora mlinganisho wa uwazi, mtu anaweza kufikiria leza za wimbi endelevu kama sawa na tochi inayotoa mwanga unaoendelea, huku leza zenye mapigo zikifanana na mwanga wa starehe, zikibadilishana haraka kati ya vipindi vya mwanga na giza. Kimsingi, leza za attosecond huonyesha tabia ya mapigo ndani ya mwanga na giza, lakini mpito wao kati ya hali hizo mbili hufanyika kwa masafa ya kushangaza, na kufikia ulimwengu wa attoseconds.

Uainishaji zaidi kwa kutumia nguvu huweka leza katika mabano yenye nguvu ndogo, nguvu ya kati, na nguvu ya juu. Leza za Attosecond hupata nguvu ya kilele cha juu kutokana na muda wao mfupi sana wa mapigo, na kusababisha nguvu ya kilele iliyotamkwa (P) - inayofafanuliwa kama nguvu ya nishati kwa kila kitengo cha muda (P=W/t). Ingawa mapigo ya leza ya attosecond yanaweza yasiwe na nishati kubwa sana (W), kiwango chao kifupi cha muda (t) huzipa nguvu ya kilele cha juu.

Kwa upande wa nyanja za matumizi, leza hujumuisha wigo unaojumuisha matumizi ya viwanda, matibabu, na kisayansi. Leza za Attosecond kimsingi hupata nafasi yao katika nyanja ya utafiti wa kisayansi, haswa katika uchunguzi wa matukio yanayobadilika haraka ndani ya nyanja za fizikia na kemia, na kutoa dirisha la michakato ya haraka ya mienendo ya ulimwengu wa microcosmic.

Uainishaji kwa kutumia njia ya leza hufafanua leza kama leza za gesi, leza za hali ngumu, leza za kioevu, na leza za nusu-sekondi. Uzalishaji wa leza za attosecond kwa kawaida hutegemea vyombo vya habari vya leza za gesi, ukinufaika na athari zisizo za mstari wa macho ili kuzalisha harmoniki za mpangilio wa juu.

Katika muhtasari, leza za attosecond huunda kundi la kipekee la leza za mapigo mafupi, zinazotofautishwa na muda wao mfupi sana wa mapigo, ambao kwa kawaida hupimwa katika attosecond. Kwa hivyo, zimekuwa zana muhimu za kuchunguza na kudhibiti michakato ya nguvu ya haraka sana ya elektroni ndani ya atomi, molekuli, na nyenzo ngumu.

Mchakato Mahiri wa Uzalishaji wa Laser wa Attosecond

Teknolojia ya leza ya Attosecond iko mstari wa mbele katika uvumbuzi wa kisayansi, ikijivunia seti kali ya kuvutia ya hali kwa ajili ya uzalishaji wake. Ili kufafanua ugumu wa uzalishaji wa leza ya attosecond, tunaanza na ufafanuzi mfupi wa kanuni zake za msingi, ikifuatiwa na sitiari dhahiri zinazotokana na uzoefu wa kila siku. Wasomaji ambao hawajafahamu ugumu wa fizikia husika hawapaswi kukata tamaa, kwani sitiari zinazofuata zinalenga kuifanya fizikia ya msingi ya leza za attosecond ipatikane.

Mchakato wa uzalishaji wa leza za attosecond hutegemea hasa mbinu inayojulikana kama Kizazi cha Juu cha Harmonic (HHG). Kwanza, miale ya mapigo ya leza ya femtosecond yenye nguvu ya juu (sekunde 10^-15) huelekezwa kwa nguvu kwenye nyenzo lengwa ya gesi. Ni muhimu kuzingatia kwamba leza za femtosecond, sawa na leza za attosecond, zina sifa za kuwa na muda mfupi wa mapigo na nguvu ya kilele cha juu. Chini ya ushawishi wa uwanja mkali wa leza, elektroni ndani ya atomi za gesi hutolewa kwa muda kutoka kwa viini vyao vya atomiki, na kuingia kwa muda katika hali ya elektroni huru. Kadri elektroni hizi zinavyoyumbayumba kujibu uwanja wa leza, hatimaye hurudi na kuungana tena na viini vyao vya atomiki vya msingi, na kuunda hali mpya za nishati nyingi.

Wakati wa mchakato huu, elektroni husogea kwa kasi kubwa sana, na baada ya kuunganishwa tena na viini vya atomiki, hutoa nishati ya ziada katika mfumo wa uzalishaji wa juu wa harmoniki, unaojidhihirisha kama fotoni zenye nishati nyingi.

Masafa ya fotoni hizi mpya zenye nishati ya juu zinazozalishwa ni vigawe kamili vya masafa ya awali ya leza, na kutengeneza kile kinachoitwa harmoniki za mpangilio wa juu, ambapo "harmoniki" huashiria masafa ambayo ni vigawe muhimu vya masafa ya awali. Ili kufikia leza za attosecond, inakuwa muhimu kuchuja na kuzingatia harmoniki hizi za mpangilio wa juu, kuchagua harmoniki maalum na kuzizingatia katika sehemu ya kuzingatia. Ikihitajika, mbinu za kubana mapigo zinaweza kufupisha zaidi muda wa mapigo, na kutoa mapigo mafupi sana katika safu ya attosecond. Ni wazi kwamba, uzalishaji wa leza za attosecond ni mchakato tata na wenye pande nyingi, unaohitaji kiwango cha juu cha ustadi wa kiufundi na vifaa maalum.

Ili kufafanua mchakato huu mgumu, tunatoa ulinganifu wa sitiari unaotegemea matukio ya kila siku:

Mapigo ya Laser ya Femtosecond yenye Nguvu ya Juu:

Fikiria kuwa na manati yenye nguvu ya kipekee yenye uwezo wa kurusha mawe mara moja kwa kasi kubwa, sawa na jukumu linalochezwa na mapigo ya leza ya femtosecond yenye nguvu kubwa.

Nyenzo Lengwa ya Gesi:

Fikiria mwili mtulivu wa maji unaoashiria nyenzo lengwa ya gesi, ambapo kila tone la maji linawakilisha atomi nyingi za gesi. Kitendo cha kurusha mawe ndani ya mwili huu wa maji kinaakisi athari ya mapigo ya leza ya femtosecond yenye nguvu kubwa kwenye nyenzo lengwa ya gesi.

Mwendo na Uunganishaji wa Elektroni (Mpito Unaoitwa Kimwili):

Wakati mapigo ya leza ya femtosecond yanapoathiri atomi za gesi ndani ya nyenzo lengwa ya gesi, idadi kubwa ya elektroni za nje husisimka kwa muda hadi hali ambapo hujitenga na viini vyao vya atomiki, na kutengeneza hali kama plazima. Kadri nishati ya mfumo inavyopungua baadaye (kwa kuwa mapigo ya leza hupigwa kiasili, yakiwa na vipindi vya kusimama), elektroni hizi za nje hurudi karibu na viini vya atomiki, na kutoa fotoni zenye nishati nyingi.

Kizazi cha Harmonic cha Juu:

Hebu fikiria kila wakati tone la maji linapoanguka tena kwenye uso wa ziwa, hutengeneza mawimbi, kama vile harmoniki za juu katika leza za attosecond. Mawimbi haya yana masafa na amplitude ya juu zaidi kuliko mawimbi ya awali yanayosababishwa na mapigo ya msingi ya leza ya femtosecond. Wakati wa mchakato wa HHG, boriti yenye nguvu ya leza, sawa na kurusha mawe mfululizo, huangazia shabaha ya gesi, inayofanana na uso wa ziwa. Sehemu hii kali ya leza husukuma elektroni kwenye gesi, sawa na mawimbi, mbali na atomi zao kuu na kisha kuzivuta nyuma. Kila wakati elektroni inaporudi kwenye atomi, hutoa boriti mpya ya leza yenye masafa ya juu zaidi, sawa na mifumo tata zaidi ya mawimbi.

Kuchuja na Kuzingatia:

Kuchanganya miale hii yote mipya ya leza hutoa wigo wa rangi mbalimbali (masafa au mawimbi), ambayo baadhi yake huunda leza ya attosecond. Ili kutenga ukubwa na masafa maalum ya mawimbi, unaweza kutumia kichujio maalum, kama vile kuchagua mawimbi unayotaka, na kutumia kioo cha kukuza ili kuyaelekeza kwenye eneo maalum.

Mgandamizo wa Mapigo (ikiwa ni lazima):

Ukilenga kueneza viwimbi haraka na kwa ufupi, unaweza kuharakisha uenezaji wao kwa kutumia kifaa maalum, na kupunguza muda ambao kila kiwimbi huchukua. Uzalishaji wa leza za attosecond huhusisha mwingiliano tata wa michakato. Hata hivyo, inapovunjwa na kuibuliwa, inakuwa rahisi kueleweka.