Nun anuncio importante na noite do 3 de outubro de 2023, revelouse o Premio Nobel de Física para o ano 2023, recoñecendo as contribucións destacadas de tres científicos que desempeñaron papeis fundamentais como pioneiros no reino da tecnoloxía láser atosecond.

O termo "láser atosegundo" deriva o seu nome desde a escala de tempo incriblemente breve que opera, específicamente na orde de atoseconds, correspondente a 10^-18 segundos. Para comprender a profunda importancia desta tecnoloxía, é fundamental unha comprensión fundamental do que significa un atosegundo. Un atosegundo é unha unidade de tempo moi minuto, constituíndo un millón de mil millóns de euros de segundo dentro do contexto máis amplo dun só segundo. Para poñer isto en perspectiva, se estivésemos a parecer un segundo a unha montaña elevada, un atosecond estaría similar a un só gran de area enclavado na base da montaña. Neste fugaz intervalo temporal, incluso a luz apenas pode percorrer unha distancia equivalente ao tamaño dun átomo individual. A través da utilización de láseres atosecondes, os científicos gañan a capacidade sen precedentes de examinar e manipular a dinámica intrincada de electróns dentro de estruturas atómicas, similar a unha reprodución de cámara lenta por marco nunha secuencia cinematográfica, afondando na súa interacción.

Láseres de atosecondRepresentar a culminación de extensas investigacións e esforzos concertados por parte dos científicos, que aproveitaron os principios da óptica non lineais para elaborar láseres ultravos. O seu Advento amueblounos cun punto de vista innovador para a observación e exploración dos procesos dinámicos que transpira dentro de átomos, moléculas e incluso electróns en materiais sólidos.

Para dilucidar a natureza dos láseres atosecondes e apreciar os seus atributos non convencionais en comparación cos láseres convencionais, é imprescindible explorar a súa categorización dentro da "familia láser" máis ampla. A clasificación por láseres de lonxitude de onda atosegunda predominantemente dentro do rango de ultravioleta a frecuencias de raios X suaves, o que significa as súas lonxitudes de onda notablemente máis curtas en contraste cos láseres convencionais. En termos de modos de saída, os láseres atosecondes están dentro da categoría de láseres pulsados, caracterizados polas súas duras duras de pulso. Para deseñar unha analoxía para a claridade, pódese prever láseres de onda continua como similar a unha lanterna que emite un feixe continuo de luz, mentres que os láseres pulsados ​​se asemellan a unha luz estroboscópica, alternando rapidamente entre períodos de iluminación e escuridade. En esencia, os láseres atosecondes presentan un comportamento pulsante dentro da iluminación e da escuridade, aínda que a súa transición entre os dous estados transcorre a unha frecuencia sorprendente, chegando ao reino dos atoseconds.

Categorización por potencia coloca láseres en soportes de baixa potencia, media potencia e de alta potencia. Os láseres de atosecond logran unha alta potencia pico debido ás súas duracións de pulso extremadamente curtas, dando lugar a unha potencia máxima pronunciada (P) - definida como a intensidade da enerxía por unidade de tempo (P = W/T). Aínda que os pulsos láser atosecond individuais poden non posuír enerxía excepcionalmente grande (W), a súa extensión temporal abreviada (T) os imparte con potencia máxima elevada.

En termos de dominios de aplicación, os láseres abarcan un espectro que abarca aplicacións industriais, médicas e científicas. Os láseres atosecondes atopan principalmente o seu nicho dentro do reino da investigación científica, particularmente na exploración de fenómenos en evolución rápida dentro dos dominios de física e química, ofrecendo unha xanela aos procesos dinámicos rápidos do mundo microcosmico.

A categorización por medio láser delimita láseres como láseres de gas, láseres de estado sólido, láseres líquidos e láseres de semiconductores. A xeración de láseres atosecondes normalmente depende dos medios de láser de gas, aproveitando os efectos ópticos non lineais para xerar armónicos de alta orde.

En resumo, os láseres de Attosegundo constitúen unha clase única de láseres de pulso curto, distinguida polas súas duracións de pulso extraordinariamente breves, normalmente medidas en atoseconds. Como resultado, convertéronse en ferramentas indispensables para observar e controlar os procesos dinámicos ultravisos de electróns dentro de átomos, moléculas e materiais sólidos.

O elaborado proceso de xeración láser atosecond

A tecnoloxía láser atosecond está á cabeza da innovación científica, con un conxunto intrigante de condicións para a súa xeración. Para dilucidar os complexos da xeración láser atosecond, comezamos cunha exposición concisa dos seus principios subxacentes, seguida de metáforas vivas derivadas de experiencias cotiás. Os lectores non se atopan nas complexidades da física relevante non precisan desesperar, xa que as metáforas seguintes teñen como obxectivo facer accesible a física fundacional dos láseres de atosecond.

O proceso de xeración de láseres atosecondes depende principalmente da técnica coñecida como alta xeración armónica (HHG). En primeiro lugar, un feixe de pulsos láser femtosegundos de alta intensidade (10^-15 segundos) está fortemente centrado nun material gaseoso. É de destacar que os láseres femtosegundos, similares aos láseres de atosecond, comparten as características de posuír duras de pulso curtas e alta potencia máxima. Baixo a influencia do campo láser intenso, os electróns dentro dos átomos de gas son liberados momentáneamente dos seus núcleos atómicos, entrando transitoriamente nun estado de electróns libres. Como estes electróns oscilan en resposta ao campo láser, volven e recombinan cos seus núcleos atómicos pai, creando novos estados de alta enerxía.

Durante este proceso, os electróns móvense a velocidades extremadamente altas e, despois da recombinación cos núcleos atómicos, liberan enerxía adicional en forma de altas emisións harmónicas, manifestándose como fotóns de alta enerxía.

As frecuencias destes fotóns de alta enerxía de nova xeración son múltiplos enteiros da frecuencia láser orixinal, formando o que se denomina armónicos de alta orde, onde "armónicos" denota frecuencias que son múltiplos integrais da frecuencia orixinal. Para alcanzar láseres atosecondes, faise necesario filtrar e centrar estes armónicos de alta orde, seleccionando armónicos específicos e concentrándoos nun punto focal. Se o desexa, as técnicas de compresión de pulso poden abreviar aínda máis a duración do pulso, producindo pulsos ultra-curtos no rango de atosecond. Evidentemente, a xeración de láseres atosecondes constitúe un proceso sofisticado e polifacético, esixindo un alto grao de habilidade técnica e equipos especializados.

Para desmitificar este complexo proceso, ofrecemos un paralelo metafórico baseado nos escenarios cotiáns:

Pulsos láser femtosegundos de alta intensidade:

Imaxina que posúe unha catapulta excepcionalmente potente capaz de lanzar instantaneamente pedras a velocidades colosais, similar ao papel que desempeña os pulsos láser femtosegundos de alta intensidade.

Material de destino gasoso:

Imaxe un corpo tranquilo de auga que simboliza o material de destino gaseoso, onde cada gota de auga representa numerosos átomos de gas. O acto de propulsar pedras a este corpo de auga reflicte de xeito analóxico o impacto de pulsos láser femtosegundos de alta intensidade no material obxectivo gaseoso.

Movemento de electróns e recombinación (transición fisicamente denominada):

Cando os pulsos láser femtosegundos impactan os átomos de gas dentro do material de destino gaseoso, un número significativo de electróns exteriores están emocionados momentaneamente a un estado onde se desprenden dos seus respectivos núcleos atómicos, formando un estado similar ao plasma. A medida que a enerxía do sistema diminúe posteriormente (xa que os pulsos láser son inherentemente pulsados, con intervalos de cesamento), estes electróns exteriores volven ás súas proximidades dos núcleos atómicos, liberando fotóns de alta enerxía.

Xeración armónica alta:

Imaxina cada vez que unha pinga de auga volve á superficie do lago, crea ondulacións, como altas armónicas nos láseres de atosecond. Estas ondulacións teñen frecuencias e amplitudes máis altas que as ondulacións orixinais causadas polo pulso láser femtosegundo primario. Durante o proceso HHG, un poderoso feixe láser, similar ao tirar continuamente pedras, ilumina un obxectivo de gas, semellando a superficie do lago. Este campo láser intenso propulsa os electróns no gas, análogo ás ondulacións, afastado dos seus átomos parentais e logo tira cara atrás. Cada vez que un electrón volve ao átomo, emite un novo raio láser cunha frecuencia máis alta, similar a patróns de ondulación máis complexos.

Filtrado e enfoque:

Combinando todos estes feitos láser recén xerados produce un espectro de varias cores (frecuencias ou lonxitudes de onda), algúns dos cales constitúen o láser atosecond. Para illar tamaños e frecuencias de ondulación específicas, pode empregar un filtro especializado, similar a seleccionar ondulacións desexadas e empregar unha lupa para centralas nunha área específica.

Compresión de pulso (se é necesario):

Se pretendes propagar ondulacións máis rápido e máis curto, podes acelerar a súa propagación usando un dispositivo especializado, reducindo o tempo en que dure cada ondulación. A xeración de láseres atosecondes implica unha interacción complexa de procesos. Non obstante, cando se descompón e visualiza, faise máis comprensible.