Katika tangazo muhimu jioni ya Oktoba 3, 2023, Tuzo ya Nobel ya Fizikia kwa mwaka wa 2023 ilizinduliwa, ikitambua mchango bora wa wanasayansi watatu ambao wamecheza majukumu muhimu kama waanzilishi katika nyanja ya teknolojia ya laser ya attosecond.

Neno "laser ya attosecond" linatokana na kipindi kifupi sana cha muda kinachofanya kazi, haswa kwa mpangilio wa attoseconds, sambamba na sekunde 10^-18. Ili kufahamu umuhimu wa kina wa teknolojia hii, ufahamu wa kimsingi wa kile attosecond huashiria ni muhimu. Attosecond inasimama kama kitengo cha dakika zaidi cha muda, kinachojumuisha sehemu ya bilioni moja ya bilioni ya sekunde ndani ya muktadha mpana wa sekunde moja. Ili kuliweka jambo hili kwa uwazi, ikiwa tungelinganisha sekunde moja na mlima mrefu zaidi, mnyama wa pili angekuwa sawa na chembe moja ya mchanga iliyo kwenye msingi wa mlima huo. Katika muda huu wa muda mfupi, hata mwanga hauwezi kupita umbali sawa na saizi ya atomi ya mtu binafsi. Kupitia utumizi wa leza za attosecond, wanasayansi hupata uwezo ambao haujawahi kushuhudiwa wa kuchunguza na kuendesha mienendo tata ya elektroni ndani ya miundo ya atomiki, sawa na uchezaji wa mwendo wa polepole wa fremu kwa fremu katika mfuatano wa sinema, na hivyo kutafakari katika mwingiliano wao.

Laser za Attosecondkuwakilisha kilele cha utafiti wa kina na juhudi za pamoja za wanasayansi, ambao wametumia kanuni za optics zisizo na mstari kutengeneza leza za haraka zaidi. Ujio wao umetupatia nafasi ya kiubunifu ya uchunguzi na uchunguzi wa michakato mienendo inayopita ndani ya atomi, molekuli, na hata elektroni katika nyenzo thabiti.

Ili kufafanua asili ya leza za attosecond na kuthamini sifa zao zisizo za kawaida kwa kulinganisha na leza za kawaida, ni muhimu kuchunguza uainishaji wao ndani ya "familia ya laser." Uainishaji kulingana na urefu wa mawimbi huweka leza za attosecond hasa ndani ya safu ya urujuanimno hadi masafa laini ya X-ray, kuashiria urefu wao wa mawimbi mafupi zaidi tofauti na leza za kawaida. Kwa upande wa njia za kutoa, leza za attosecond ziko chini ya kategoria ya leza zinazopigika, zinazojulikana kwa muda wao mfupi sana wa mapigo. Ili kuchora mlinganisho kwa uwazi, mtu anaweza kufikiria leza za mawimbi-wimbi kama sawa na tochi inayotoa mwangaza unaoendelea, wakati leza zinazopigika hufanana na mwanga wa mpigo, zikipishana kwa kasi kati ya vipindi vya kuangaza na giza. Kimsingi, leza za attosecond huonyesha tabia ya kuvuma ndani ya mwangaza na giza, lakini mpito wao kati ya majimbo haya mawili hutokea kwa kasi ya kushangaza, kufikia eneo la attoseconds.

Uainishaji zaidi kwa kutumia nishati huweka leza kwenye mabano ya nguvu ya chini, ya wastani na yenye nguvu nyingi. Leza za Attosecond hupata kilele cha juu cha nguvu kutokana na muda wao mfupi wa mpigo, hivyo kusababisha kilele cha nguvu (P) - kinachofafanuliwa kama ukubwa wa nishati kwa kila wakati wa kitengo (P=W/t). Ingawa mipigo ya leza ya attosecond ya mtu binafsi haiwezi kuwa na nishati kubwa ya kipekee (W), kiwango chake cha muda kilichofupishwa (t) huwapa nguvu ya juu ya kilele.

Kwa upande wa vikoa vya matumizi, leza huchukua wigo unaojumuisha matumizi ya viwandani, matibabu na kisayansi. Leza za Attosecond kimsingi hupata mwanya wao ndani ya nyanja ya utafiti wa kisayansi, hasa katika uchunguzi wa matukio yanayoendelea kwa kasi ndani ya nyanja za fizikia na kemia, inayotoa kidirisha cha michakato inayobadilika ya ulimwengu wa microcosmic.

Uainishaji kulingana na laser medium hufafanua leza kama leza za gesi, leza za hali dhabiti, leza za kioevu na leza za semiconductor. Uzalishaji wa leza za attosecond kwa kawaida hutegemea midia ya leza ya gesi, ikitumia mtaji wa athari za macho zisizo za mstari ili kuleta uelewano wa mpangilio wa juu.

Kwa muhtasari, leza za attosecond huunda darasa la kipekee la leza za mpigo mfupi, zinazotofautishwa na muda wao mfupi wa mpigo wa ajabu, ambao kawaida hupimwa kwa attoseconds. Kama matokeo, zimekuwa zana za lazima za kutazama na kudhibiti michakato ya nguvu ya elektroni ndani ya atomi, molekuli na nyenzo ngumu.

Mchakato wa Kufafanua wa Kizazi cha Laser cha Attosecond

Teknolojia ya laser ya Attosecond inasimama mstari wa mbele katika uvumbuzi wa kisayansi, ikijivunia kuweka masharti magumu kwa kizazi chake. Ili kufafanua hila za kizazi cha leza ya attosecond, tunaanza na ufafanuzi mfupi wa kanuni zake za msingi, ikifuatwa na mafumbo dhahiri yanayotokana na uzoefu wa kila siku. Wasomaji wasiojua ugumu wa fizikia husika hawahitaji kukata tamaa, kwa kuwa tamathali zinazofuata zinalenga kufanya fizikia ya msingi ya leza za attosecond kupatikana.

Mchakato wa kutengeneza leza za attosecond hutegemea mbinu inayojulikana kama High Harmonic Generation (HHG). Kwanza, boriti ya nguvu ya juu ya femtosecond (sekunde 10^-15) ya mipigo ya leza imeelekezwa kwa nguvu kwenye nyenzo inayolengwa na gesi. Inafaa kukumbuka kuwa leza za femtosecond, sawa na leza za attosecond, zinashiriki sifa za kuwa na muda mfupi wa mpigo na nguvu ya juu ya kilele. Chini ya ushawishi wa uwanja mkali wa laser, elektroni ndani ya atomi za gesi hutolewa kwa muda kutoka kwa nuclei zao za atomiki, kwa muda mfupi kuingia katika hali ya elektroni za bure. Elektroni hizi zinapozunguka kujibu uga wa leza, hatimaye hurejea na kuungana tena na viini vyao kuu vya atomiki, na kuunda hali mpya zenye nishati nyingi.

Wakati wa mchakato huu, elektroni husogea kwa kasi ya juu sana, na zinapounganishwa tena na viini vya atomiki, hutoa nishati ya ziada kwa njia ya utoaji wa hali ya juu wa hali ya juu, inayojidhihirisha kama fotoni zenye nishati nyingi.

Masafa ya fotoni hizi mpya za nishati ya juu ni zidishi kamili za masafa ya asili ya leza, na kutengeneza kile kinachojulikana kama uelewano wa mpangilio wa juu, ambapo "harmoniki" huashiria masafa ambayo ni zidishi muhimu za masafa ya asili. Ili kufikia leza za attosecond, inakuwa muhimu kuchuja na kuzingatia maumbo haya ya mpangilio wa juu, kuchagua maumbo mahususi na kuyakazia katika sehemu kuu. Ikihitajika, mbinu za kubana mapigo zinaweza kufupisha zaidi muda wa mpigo, na kutoa mipigo mifupi zaidi katika safu ya attosecond. Ni dhahiri, utengenezaji wa leza za attosecond unajumuisha mchakato wa kisasa na wenye mambo mengi, unaohitaji ustadi wa juu wa kiufundi na vifaa maalum.

Ili kufifisha mchakato huu mgumu, tunatoa ulinganifu wa sitiari unaozingatia hali za kila siku:

Mipigo ya Laser ya Femtosecond yenye Nguvu ya Juu:

Tafakari kuwa na manati yenye nguvu ya kipekee inayoweza kurusha mawe papo hapo kwa kasi kubwa, sawa na jukumu linalochezwa na mipigo ya leza ya femtosecond ya kiwango cha juu.

Nyenzo inayolengwa ya gesi:

Taswira ya maji tulivu ambayo yanaashiria nyenzo inayolengwa na gesi, ambapo kila tone la maji linawakilisha maelfu ya atomi za gesi. Kitendo cha kusogeza mawe kwenye mwili huu wa maji kinaonyesha sawasawa athari ya mipigo ya leza ya femtosecond ya kiwango cha juu kwenye nyenzo inayolengwa ya gesi.

Mwendo na Uunganishaji wa Elektroni (Mpito Unaojulikana Kimwili):

Mipigo ya leza ya femtosecond inapoathiri atomi za gesi ndani ya nyenzo inayolengwa na gesi, idadi kubwa ya elektroni za nje husisimka kwa muda hadi kufikia hali ambapo hujitenga na viini vyake vya atomiki, na kutengeneza hali inayofanana na plasma. Kadiri nishati ya mfumo inavyopungua (kwa kuwa mipigo ya leza hupigika kiasili, inayoangazia vipindi vya kukoma), elektroni hizi za nje hurudi kwenye eneo lao la viini vya atomiki, na kutoa fotoni zenye nishati nyingi.

Kizazi cha Juu cha Harmonic:

Hebu fikiria kila wakati matone ya maji yanapoanguka kwenye uso wa ziwa, hutengeneza mawimbi, kama vile sauti za hali ya juu katika leza za attosecond. Viwimbi hivi vina masafa ya juu na amplitude kuliko viwimbi asili vinavyosababishwa na mpigo wa leza ya msingi ya femtosecond. Wakati wa mchakato wa HHG, boriti ya leza yenye nguvu, sawa na kurusha mawe mara kwa mara, huangazia shabaha ya gesi, inayofanana na uso wa ziwa. Sehemu hii kali ya leza husukuma elektroni kwenye gesi, zinazofanana na viwimbi, mbali na atomi kuu zao na kisha kuzivuta nyuma. Kila wakati elektroni inaporudi kwenye atomi, hutoa miale mpya ya leza yenye masafa ya juu zaidi, sawa na mifumo tata zaidi ya ripuli.

Kuchuja na Kuzingatia:

Kuchanganya miale hii mpya ya leza inayozalishwa hutoa wigo wa rangi mbalimbali (masafa au urefu wa mawimbi), ambazo baadhi yake huunda leza ya attosecond. Ili kutenga ukubwa na masafa mahususi ya ripple, unaweza kutumia kichujio maalumu, sawa na kuchagua viwimbi unavyotaka, na kutumia kioo cha kukuza ili kuvielekeza kwenye eneo mahususi.

Ukandamizaji wa Pulse (ikiwa ni lazima):

Iwapo unalenga kueneza viwimbi haraka na vifupi zaidi, unaweza kuharakisha uenezaji wao kwa kutumia kifaa maalum, na kupunguza muda ambao kila ripple hudumu. Uzalishaji wa lasers ya attosecond inahusisha mwingiliano mgumu wa michakato. Hata hivyo, inapovunjwa na kuonekana, inakuwa inaeleweka zaidi.