Нобелевская премия 2023 по физике: аттосекунды, самые короткие вспышки
Чтобы сфотографировать летящую пулю, нужна очень короткая выдержка. Чтобы «сфотографировать» движение электрона внутри атома, нужна выдержка в миллиард миллиардов раз короче секунды. Пьер Агостини, Ференц Краус и Анн Л'Юилье придумали, как получать такие вспышки. В 2023 году за это они получили Нобелевскую премию по физике.
Для 9–11 классов.
Что такое аттосекунда
1 аттосекунда = 0,000 000 000 000 000 001 с = 10⁻¹⁸ с
Представить такую величину невозможно, поэтому Нобелевский комитет предложил сравнение. Возраст Вселенной около 13,8 миллиарда лет, это примерно 4 · 10¹⁷ секунд. А в одной секунде 10¹⁸ аттосекунд. То есть аттосекунд в секунде больше, чем секунд прошло с Большого взрыва.
За одну аттосекунду свет, самое быстрое в мире, проходит расстояние примерно в размер атома.
Зачем такие короткие вспышки
Есть простое правило: чтобы увидеть быстрое движение, нужно что-то ещё более быстрое. Крылья колибри на обычном видео сливаются в пятно, а на кадрах со вспышкой длиной в тысячную долю секунды видно каждое перо.
Электроны в атомах и молекулах двигаются за аттосекунды. Именно электроны отвечают за химические реакции, за то, как вещество проводит ток и поглощает свет. Раньше учёные видели только «до» и «после», а сам процесс оставался размытым. Аттосекундные вспышки работают как сверхбыстрая фотовспышка: можно сделать серию кадров и увидеть, как электрон переходит с места на место.
Как их получили
Анн Л'Юилье: обертоны света
В 1987 году во Франции Анн Л'Юилье с коллегами пропускала мощный инфракрасный лазер через благородный газ. Оказалось, что газ излучает свет с частотами, в целое число раз больше исходной, как обертоны у струны. Эти обертоны, высокие гармоники, складываются и могут образовать очень короткие импульсы. Следующие годы она объясняла, как это происходит.
Агостини и Краус: первые вспышки
В 2001 году две группы впервые получили и измерили аттосекундные импульсы. Группа Пьера Агостини во Франции получила серию вспышек длиной по 250 аттосекунд каждая. Группа Ференца Крауса в Австрии выделила одну отдельную вспышку длиной 650 аттосекунд. С тех пор вспышки стали ещё короче.
Звонок посреди лекции
Анн Л'Юилье, профессор Лундского университета в Швеции, узнала о премии, когда читала лекцию студентам. Ей звонили несколько раз, она ответила в перерыве и, получив новость, вернулась и закончила занятие.
Она стала пятой женщиной с Нобелевской премией по физике. До неё были Мария Кюри (1903), Мария Гёпперт-Майер (1963), Донна Стрикленд (2018) и Андреа Гез (2020).
Что это даст
- Электроника: понять, как быстро в принципе может переключаться транзистор, и сделать электронику быстрее.
- Химия: увидеть, как рвутся и образуются связи в молекулах, и управлять реакциями.
- Медицина: Краус с коллегами пробует по спектру молекул в капле крови находить болезни на ранних стадиях.
Разберём на занятии
На живых занятиях преподаватель объясняет школьные темы через такие истории: так правило или формула запоминается с первого раза.
Первое занятие бесплатное: можно посмотреть формат вместе с ребёнком и решить, подходит ли он.
Частые вопросы
Чем аттосекунда отличается от фемтосекунды?
Фемтосекунда в тысячу раз длиннее, 10⁻¹⁵ с. За съёмку химических реакций фемтосекундными импульсами Нобелевскую премию по химии получил Ахмед Зевейл в 1999 году.
Есть ли аттосекундные лазеры в России?
Исследования сверхкоротких импульсов ведутся в нескольких российских институтах, например в Институте прикладной физики в Нижнем Новгороде.
Где в школе про это узнать?
В физике 11 класса: световые волны, частота, кванты, строение атома. Задачи на связь частоты и длины волны есть в ЕГЭ.