De wereld van vechtsporten, alleen snel.
Soms gebruiken we een heel korte tijd, beschreven als "de tijd van een hartslag", en de duur van een hartslag is 10 tot de 18e macht van een seconde.
In een recent experiment vergelijkbaar met stop-motionfotografie heeft een team van wetenschappers uit de Verenigde Staten en Duitsland voor het eerst 'freeze frames' vastgelegd van elektronen die in realtime in vloeibaar water bewegen, en de resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift Science.
Deskundigen van de jury lichten de onderzoeksresultaten van de winnaars van de Nobelprijs voor de Natuurkunde van 2023 toe bij de aankondiging van de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2023 in Stockholm, Zweden, 3 oktober 2023
Volgens de experts markeert het resultaat een grote vooruitgang in de experimentele natuurkunde, omdat het inzicht geeft in de elektronische structuur van moleculen in vloeistoffen op tijdschalen die voorheen onbereikbaar waren met röntgenstraling. Voorheen waren wetenschappers alleen in staat elektronenbewegingen op de tijdschaal van picoseconden (1 seconde=1 biljoen picoseconden) vast te stellen. Dankzij de mogelijkheid om de elektronische reacties van röntgenstralen die een doelwit raken op attosecondeschaal te bestuderen, kunnen onderzoekers zich nu een miljoen keer sneller verdiepen in door straling geïnduceerde chemische reacties dan eerdere methoden.
Alles wijst erop dat de attosecondelaser de sleutel kan zijn tot het ontsluiten van de mysterieuze wereld van de elektronica.
Wat is een "attoseconde"?
Voor gewone mensen is de attoseconde een buitengewoon vreemd concept.
In feite bracht China's beroemde denker, het lijk Kao, al in de periode van de Strijdende Staten 'vier kanten op en neer', zei Yu, oud en modern zei Zeus, 'het eenvoudige beeld van ruimte en tijd. Tot op de dag van vandaag zijn ruimte en tijd in de voorhoede van natuurkundig onderzoek nog steeds de belangrijkste en fundamentele twee dimensies.
Wat de menselijke zintuigen betreft, wanneer een object in snelle beweging is, zijn de beelden wazig en overlappen ze elkaar, en kunnen veranderingen die zich in een zeer korte tijd voordoen niet worden waargenomen. Het is daarom belangrijk dat wetenschappers preciezere ‘tijdvensters’ ontwikkelen om deze zeer korte momenten vast te leggen of weer te geven.
In de 19e eeuw was er een veelbesproken en besproken vraag in de natuurkunde: als een paard rent, komen dan alle vier de benen tegelijkertijd van de grond?
De Amerikaanse ondernemer Leland Stanford was zeer geïnteresseerd in deze vraag. Om dit vermoeden te verifiëren, benaderde hij de beroemde fotograaf Edvard Muybridge. De videofunctie was in die tijd nog niet geboren, toen de responstijd van de camerasluiter 15 seconden bedroeg, soms zelfs tot een minuut.
Paarden gingen niet langzamer rijden om voor de camerasluiter te zorgen, en hun kletterende hoeven vormden het grootste obstakel bij het verifiëren van deze hypothese. Edvard Maibridge gaf niet zo gemakkelijk op, hij had het lumineuze idee om niet alleen het ontwerp van de camerasluiter te verbeteren, maar ook 12 camera's en mechanismen op de landingsbaan te plaatsen. Telkens wanneer het paard de camera naderde, werd het mechanisme geactiveerd en werd er een foto gemaakt. Uiteindelijk heeft hij de twaalf foto's samengevoegd, wat het hele proces van het rennen van het paard is.
Door naar de samengevoegde foto's te kijken, vonden mensen al snel het antwoord op de vraag: als een paard rent, kan het inderdaad een moment vastleggen - zijn vier benen komen tegelijkertijd van de grond.
Op 3 oktober 2023 maakte de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen bekend dat zij de Nobelprijs voor natuurkunde van dat jaar had toegekend aan Pierre Agostini, Ferenc Krauss en Anne Lhuillier voor hun ‘experimentele methode voor het genereren van attoseconde lichtpulsen voor de studie van de dynamiek van elektronen in de materie."
"We kunnen nu de deur openen naar de wereld van elektronen. Attoseconde-fysica heeft ons de mogelijkheid gegeven om de mechanismen van elektronische controle te begrijpen. De volgende stap zal zijn om ze te exploiteren." Dat zegt Eva Olson, voorzitter van het Nobelcomité voor Natuurkunde.
Toen wetenschappers hun perspectief verdiepten in de wereld van elektronen, ontdekten ze dat de snelheid van verandering in positie en energie varieert tussen één en enkele honderden attoseconden, waarbij één attoseconde een miljardste van een seconde is. De technologie van attoseconde gepulseerd licht is de snelste tijdschaal die momenteel voor de mensheid beschikbaar is, en het is als een liniaal: hoe fijner de schaal van de liniaal, hoe hoger de nauwkeurigheid van het meetbare.
Yuan Lanfeng, adjunct-directeur van het Department of Science and Technology Communication, School of Humanities and Social Sciences, University of Science and Technology of China, zei dat de attoseconde lichtpuls kan worden begrepen als het principe van een hogesnelheidscamera, en dat een Er is een camera met een hoge reactiesnelheid nodig om de prachtige momenten van iemands bewegingsproces vast te leggen. De attoseconde lichtpuls is de "hogesnelheidscamera" in microscopisch reactieonderzoek.
In het verleden was de tijdslimiet voor laserpulsen ‘femtoseconden’, wat genoeg was voor mensen om atomen te zien, maar voor elektronen was de tijdsresolutie van ‘femtoseconden’ zo grof dat men op deze schaal alleen een mozaïekachtig effect. De coherente lichtpulsen Vooruitgang vanaf Femtoseconden
De voortgang van coherente lichtpulsen van femtoseconden naar attoseconden is niet alleen een simpele vooruitgang op tijdschaal, maar belangrijker nog, het bevordert het vermogen van mensen om de structuur van materie te bestuderen, van de beweging van atomen en moleculen tot de binnenkant van atomen, waar ze het bewegings- en correlatiegedrag van elektronen onderzoeken, wat zal leiden tot een grote revolutie in fundamenteel natuurkundig onderzoek.
Wat zal de attoseconde voor gewone mensen brengen?
Op een dag in 1999 won Ahmed Xavier, een professor aan het California Institute of Technology, de Nobelprijs voor de Scheikunde voor zijn ontdekking. Xaviers onderzoek in de jaren tachtig, waarbij hij een laserstraal gebruikte om de oscillaties van atomen in de overgangstoestand te filmen, hielp wetenschappers atomen en moleculen te observeren in het proces van chemische reacties in ‘slow motion’, en zo de aard en structuur van de atomen te bestuderen. overgangstoestand. Om deze reden wordt Xavier ook wel de "vader van de femtoseconde-chemie" genoemd.
Sindsdien zijn wetenschappers tot het besef gekomen dat lasers, net als bliksem, deze vluchtige momenten kunnen vastleggen. Deze ontdekking vormde de theoretische basis voor een reeks disruptieve onderzoeken.
Tegenwoordig is de snelheid van deze laser duizend keer opgewaardeerd, waardoor de drastische verandering van femtoseconden naar attoseconden met succes is gerealiseerd.
Als mensen tegenwoordig femtoseconde laser noemen, kunnen ze vaak denken aan de vele toepassingen die femtoseconde laserbijziendheidschirurgie biedt. En als het om attoseconde-laser gaat, lijkt het moeilijk om deze term in verband te brengen met het productieve leven van gewone mensen.
Yuan Lanfeng zei eerlijk gezegd: "De a-seconde-laser heeft momenteel niet veel nut, de toepassing ervan is nog maar net begonnen en het zit nog steeds allemaal vast in fundamenteel onderzoek." Dit betekent echter niet dat de attoseconde lichtpuls geen toepassingspotentieel heeft, "het opent een deur, maar wat zich achter deze deur bevindt, moet nog diepgaand worden onderzocht." Hij zei.
Dus wat zit er achter die deur?
Pulsed-field ablatiesysteem gefotografeerd op de Medtronic-stand in de sectie Medical Devices and Healthcare van de 6e beurs op 5 november 2023
"Elektronenbeweging is verantwoordelijk voor het genereren van licht en voor het vormen en verbreken van chemische bindingen die de structuur van biomoleculen en hun functie in levende systemen veranderen, en voor het zo snel mogelijk verwerken van informatie... Tegenwoordig gebruiken we attoseconde lichtpulsen om microscopische processen waarbij elektronen, atomen en moleculen betrokken zijn beter te begrijpen en uit te vinden hoe deze de macroscopische wereld beïnvloeden." Eerder, na het winnen van de Wolf Prize in Physics, verklaarde Ferenc Krauss op deze manier de waarde van de toepassingen van attoseconde-fysica.
Eva Olson daarentegen zei dat attoseconde-fysica ons de mogelijkheid geeft om de mechanismen van elektronische controle te begrijpen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor mogelijke toepassingen in de elektronische informatie-industrie en de geneeskunde.
Wei Zhiyi, een onderzoeker aan het Institute of Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen, is van mening dat de technologie kan worden gecombineerd met supergeleiding, nanomaterialen, fotovoltaïsche industrie, farmaceutische producten, lasergeneeskunde en andere velden om een diepgaander begrip van de structuur te bevorderen. van materie door de mensheid, wat zal leiden tot relevante revolutionaire vooruitgang.
Hoewel de huidige toepassing van attosecondefysica nog ver verwijderd is van de verbeelding van sommige mensen, kent deze ongetwijfeld een extreem breed scala aan toepassingsscenario's.
Het geeft de mensheid een paar ‘intelligente ogen’ om de microscopische wereld te bestuderen.
Dankzij deze ondersteuning zullen veel microscopische processen niet langer ‘indirect bewijs’ nodig hebben om bevestigd te worden, maar kunnen ze direct worden waargenomen: de attoseconde laser kan worden gebruikt om een verscheidenheid aan snelle bewegingsprocessen te fotograferen, zoals chemische reacties, beweging en beweging op atomaire schaal.
Het fotograferen van chemische reacties met attoseconde-lasers kan wetenschappers helpen reactiemechanismen beter te begrijpen en chemische processen verder te verbeteren. Het fotograferen van de bewegingen van moleculen en atomen met attosecondelasers kan hun interacties en kinetische processen onthullen, die belangrijk zijn voor onderzoek in de materiaalkunde en biowetenschappen.
Op het gebied van de biogeneeskunde wordt bijvoorbeeld verwacht dat de beeldvormingstechnologie met hoge resolutie van attosecondepulsen de vroege diagnose en behandeling van ziekten zal verbeteren en nieuwe doorbraken zal opleveren voor de studie van kanker, neurologische ziekten en andere grote medische uitdagingen.
Het is duidelijk dat het team van Ferenc Krauss ook femtoseconde- en attosecondetechnieken probeert te gebruiken om bloedmonsters te analyseren en kleine veranderingen daarin te detecteren. Ze analyseren of deze veranderingen specifiek genoeg zijn om de ziekte in het beginstadium van de ziekte duidelijk te kunnen diagnosticeren. Deze technologie kan een aanzienlijke impact hebben op de studie van kanker en andere moeilijke ziekten.
De versnelling van het ‘attoseconde-tijdperk’?
In 2021 publiceerde het tijdschrift Science "125 van 's werelds meest geavanceerde wetenschappelijke problemen", waarvan er meer dan 10 moeten worden opgelost door ultrasnelle wetenschap. De opkomst van attosecondepulsen zal naar verwachting leiden tot meer originele innovaties op verschillende gebieden van wetenschappelijk en toegepast onderzoek.
De attoseconde laser, geen geschenk van de natuur, maar een door de mens gemaakt wonder.
De Franse natuurkundige Anne Lhuillier was de eerste die de hulpmiddelen ontdekte om de wereld van attoseconden open te wrikken. in 1987 deed ze gasionisatie-experimenten, waarbij de golflengte van 1064 nanometer laserlicht werd omgezet in argon en verschillende andere zeldzame gassen. Het gas leek een andere kleur te hebben dan eerdere experimenten.
Vervolgens publiceerde ze een belangrijk artikel, waarin ze het fenomeen ontdekte van hoge harmonischen gegenereerd door sterke laserbestraling van edelgassen, en verkreeg ze de typische spectrale structuur van hoge harmonischen, waarvan de spectrale breedte pulsen in de orde van attoseconden kon ondersteunen, waardoor ze de randvoorwaarden voor de doorbraak van laserpulsen tot attoseconden. Sindsdien zijn haar onderzoekscarrière en attoseconde-lasers nauw met elkaar verweven, en 16 jaar later leidde ze een team van onderzoekers om een wereldrecord te vestigen voor de kortste laserpuls van 170 attoseconden.
De twee andere wetenschappers die samen met haar de Nobelprijs voor de natuurkunde hebben gewonnen, hebben ook iets toegevoegd aan het ‘attosecondegebouw’: de Hongaar Ferenc Kraus leidde een team van onderzoekers om in 2001 de eerste attoseconde-lichtpuls te creëren en te meten, en gebruikte deze om de beweging van elektronen binnen atomen, wat de geboorte markeert van de attoseconde-fysica. Bovendien slaagde zijn team erin pulsen te isoleren die 650 attoseconden duurden, de eerste keer dat wetenschappers met succes het losmaken van elektronen van atomen hebben gevolgd. De Fransman Pierre Agostini, een leider in de interactie van lasers met een sterk veld en atomen, en zijn team waren pioniers in de attoseconde-fysica door voor het eerst attoseconde-lichtpulsen te genereren en te meten en deze te gebruiken om de beweging van elektronen in atomen vast te leggen.
Tegenwoordig strijden steeds meer wetenschappers in veel delen van de wereld om de toppositie op dit gebied.
In het laboratorium komen de vruchtbare resultaten veelvuldig voor: in 2022 werkten onderzoekers van de Universiteit van Michigan en de Universiteit van Regensburg in Duitsland samen om de beweging van elektronen binnen een paar honderd attoseconden vast te leggen, de hoogste snelheid tot nu toe.
In hetzelfde jaar werkte een team van onderzoekers van het Center for Advanced Photonics van het RIKEN Institute of Science and Chemistry in Japan en de Universiteit van Tokio samen om een nieuw type interferometer te ontwikkelen voor het omgaan met randen die voortkomen uit optische interferentie afkomstig van attosecondepulsen. en kwantuminterferentie met elektronische toestanden in materie. Ze demonstreerden de haalbaarheid van het interferometerschema door postgeneratieve splitsing van hoge harmonische pulsen door middel van experimenten met monsters van heliumatomen.
Bovendien is de internationale bouw en concurrentie voor een attoseconde-laserfaciliteit begonnen. De Europese Unie, bepleit door de Nobelprijswinnende natuurkundige Gérard Mourou en anderen, heeft in Hongarije het voortouw genomen bij de bouw van de European Extreme Light Facility-Altosecond Light Source (ELI-ALPS), en heeft de bouw bevorderd van internationaal gerenommeerde bedrijven zoals zoals Fastlite, Active Fiber en Light Conversion. Lasertechnologiebedrijven zoals Fastlite, Active Fiber, Light Conversion en andere internationaal gerenommeerde productiteratie en -upgrades, deze nieuwe generatie lasertechnologie zullen een belangrijke rol spelen in geavanceerde productie, nationale defensiewetenschap en -technologie en andere gebieden.
In China voeren relevante wetenschappelijke onderzoekseenheden op grote schaal infrastructuurconstructies uit van attoseconde lichtbronnen, zoals het Institute of Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen en het Songshan Lake Materials Laboratory in Dongguan, provincie Guangdong, Songshan Lake om de attosecond science center. Het is duidelijk dat na de voltooiing van dit centrum naar verwachting de internationale leidende alomvattende indicatoren zullen worden bereikt.
