Dalam satu pengumuman penting pada petang 3 Oktober 2023, Hadiah Nobel dalam Fizik bagi tahun 2023 telah diumumkan, bagi mengiktiraf sumbangan cemerlang tiga saintis yang telah memainkan peranan penting sebagai perintis dalam bidang teknologi laser attosecond.

Istilah "laser attosecond" mendapat namanya daripada skala masa yang sangat singkat yang digunakannya, khususnya dalam susunan attosecond, bersamaan dengan 10^-18 saat. Untuk memahami kepentingan mendalam teknologi ini, pemahaman asas tentang apa yang dimaksudkan oleh attosecond adalah sangat penting. Attosecond berdiri sebagai unit masa yang sangat minit, membentuk satu bilion daripada satu bilion saat dalam konteks satu saat yang lebih luas. Untuk meletakkan ini dalam perspektif, jika kita menyamakan satu saat dengan gunung yang menjulang tinggi, attosecond akan serupa dengan sebutir pasir yang terletak di kaki gunung. Dalam selang masa yang singkat ini, cahaya pun hampir tidak dapat merentasi jarak yang setara dengan saiz atom individu. Melalui penggunaan laser attosecond, saintis memperoleh keupayaan yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk meneliti dan memanipulasi dinamik elektron yang rumit dalam struktur atom, serupa dengan ulangan gerakan perlahan bingkai demi bingkai dalam urutan sinematik, dengan itu menyelidiki interaksi mereka.

Laser attosecondmewakili kemuncak penyelidikan meluas dan usaha bersepadu oleh para saintis, yang telah memanfaatkan prinsip optik tak linear untuk menghasilkan laser ultra pantas. Kemunculan mereka telah memberikan kita sudut pandangan yang inovatif untuk pemerhatian dan penerokaan proses dinamik yang berlaku dalam atom, molekul, dan juga elektron dalam bahan pepejal.

Untuk menjelaskan sifat laser attosecond dan menghargai sifat-sifat tidak konvensionalnya berbanding laser konvensional, adalah penting untuk meneroka pengkategoriannya dalam "keluarga laser" yang lebih luas. Pengelasan mengikut panjang gelombang meletakkan laser attosecond terutamanya dalam julat frekuensi sinar-X ultraungu hingga lembut, menandakan panjang gelombangnya yang lebih pendek berbanding laser konvensional. Dari segi mod output, laser attosecond berada di bawah kategori laser berdenyut, yang dicirikan oleh tempoh denyutannya yang sangat singkat. Untuk membuat analogi untuk kejelasan, seseorang boleh membayangkan laser gelombang berterusan seperti lampu suluh yang memancarkan pancaran cahaya berterusan, manakala laser berdenyut menyerupai cahaya strob, berselang-seli dengan pantas antara tempoh pencahayaan dan kegelapan. Pada dasarnya, laser attosecond mempamerkan tingkah laku berdenyut dalam pencahayaan dan kegelapan, namun peralihannya antara kedua-dua keadaan berlaku pada frekuensi yang menakjubkan, mencapai alam attosecond.

Pengkategorian selanjutnya mengikut kuasa meletakkan laser kepada kurungan berkuasa rendah, berkuasa sederhana dan berkuasa tinggi. Laser attosecond mencapai kuasa puncak yang tinggi disebabkan oleh tempoh denyutannya yang sangat pendek, menghasilkan kuasa puncak (P) yang ketara – ditakrifkan sebagai keamatan tenaga per unit masa (P=W/t). Walaupun denyutan laser attosecond individu mungkin tidak mempunyai tenaga (W) yang sangat besar, tahap temporal yang disingkatkan (t) memberikannya kuasa puncak yang tinggi.

Dari segi domain aplikasi, laser merangkumi spektrum yang merangkumi aplikasi perindustrian, perubatan dan saintifik. Laser attosaat terutamanya menemui niche mereka dalam bidang penyelidikan saintifik, terutamanya dalam penerokaan fenomena yang berkembang pesat dalam domain fizik dan kimia, menawarkan tingkap ke dalam proses dinamik pantas dunia mikrokosmik.

Pengkategorian mengikut medium laser mengkategorikan laser sebagai laser gas, laser keadaan pepejal, laser cecair dan laser semikonduktor. Penjanaan laser atosaat biasanya bergantung pada media laser gas, memanfaatkan kesan optik tak linear untuk menghasilkan harmonik tertib tinggi.

Secara ringkasnya, laser atosaat merupakan kelas laser denyut pendek yang unik, dibezakan oleh tempoh denyutannya yang sangat singkat, biasanya diukur dalam atosaat. Hasilnya, ia telah menjadi alat yang sangat diperlukan untuk memerhati dan mengawal proses dinamik ultra pantas elektron dalam atom, molekul dan bahan pepejal.

Proses Penjanaan Laser Attosecond yang Ringkas

Teknologi laser attosecond berdiri di barisan hadapan inovasi saintifik, dengan set syarat yang sangat ketat untuk penjanaannya. Untuk menjelaskan selok-belok penjanaan laser attosecond, kita mulakan dengan penjelasan ringkas tentang prinsip asasnya, diikuti dengan metafora yang jelas yang diperoleh daripada pengalaman seharian. Pembaca yang tidak mengetahui selok-belok fizik yang berkaitan tidak perlu berputus asa, kerana metafora berikutnya bertujuan untuk menjadikan fizik asas laser attosecond mudah diakses.

Proses penjanaan laser attosecond terutamanya bergantung pada teknik yang dikenali sebagai Penjanaan Harmonik Tinggi (HHG). Pertama, pancaran denyutan laser femtosecond (10^-15 saat) berintensiti tinggi difokuskan dengan ketat pada bahan sasaran gas. Perlu diingatkan bahawa laser femtosecond, seperti laser attosecond, berkongsi ciri-ciri yang mempunyai tempoh denyutan yang pendek dan kuasa puncak yang tinggi. Di bawah pengaruh medan laser yang kuat, elektron dalam atom gas dibebaskan seketika daripada nukleus atomnya, secara sementara memasuki keadaan elektron bebas. Apabila elektron ini berayun sebagai tindak balas kepada medan laser, ia akhirnya kembali dan bergabung semula dengan nukleus atom induknya, mewujudkan keadaan tenaga tinggi yang baharu.

Semasa proses ini, elektron bergerak pada halaju yang sangat tinggi, dan apabila bergabung semula dengan nukleus atom, ia melepaskan tenaga tambahan dalam bentuk pancaran harmonik yang tinggi, yang ditunjukkan sebagai foton bertenaga tinggi.

Frekuensi foton bertenaga tinggi yang baru dijana ini adalah gandaan integer frekuensi laser asal, membentuk apa yang dipanggil harmonik tertib tinggi, di mana "harmonik" menandakan frekuensi yang merupakan gandaan integral frekuensi asal. Untuk mencapai laser attosecond, adalah perlu untuk menapis dan memfokuskan harmonik tertib tinggi ini, memilih harmonik tertentu dan menumpukannya ke titik fokus. Jika dikehendaki, teknik pemampatan denyut boleh memendekkan lagi tempoh denyut, menghasilkan denyutan ultra pendek dalam julat attosecond. Jelas sekali, penjanaan laser attosecond merupakan proses yang canggih dan pelbagai rupa, yang memerlukan tahap kehebatan teknikal yang tinggi dan peralatan khusus.

Untuk menjelaskan proses yang rumit ini, kami menawarkan persamaan metafora yang berasaskan senario harian:

Denyut Laser Femtosaat Berintensiti Tinggi:

Bayangkan memiliki lastik yang sangat kuat yang mampu melontar batu dengan serta-merta pada kelajuan yang sangat besar, serupa dengan peranan yang dimainkan oleh denyutan laser femtosaat intensiti tinggi.

Bahan Sasaran Gas:

Bayangkan sebuah jasad air yang tenang yang melambangkan bahan sasaran gas, di mana setiap titisan air mewakili pelbagai atom gas. Tindakan menolak batu ke dalam jasad air ini secara analognya mencerminkan kesan denyutan laser femtosaat berintensiti tinggi pada bahan sasaran gas.

Gerakan dan Penggabungan Semula Elektron (Dipanggil Secara Fizikal Peralihan):

Apabila denyutan laser femtosaat memberi impak kepada atom gas dalam bahan sasaran gas, sebilangan besar elektron luar teruja seketika ke keadaan di mana ia terpisah daripada nukleus atom masing-masing, membentuk keadaan seperti plasma. Apabila tenaga sistem kemudiannya berkurangan (memandangkan denyutan laser secara semula jadi berdenyut, yang menampilkan selang pemberhentian), elektron luar ini kembali ke kawasan sekitar nukleus atom, melepaskan foton bertenaga tinggi.

Penjanaan Harmonik Tinggi:

Bayangkan setiap kali titisan air jatuh kembali ke permukaan tasik, ia menghasilkan riak, seperti harmonik tinggi dalam laser atosaat. Riak ini mempunyai frekuensi dan amplitud yang lebih tinggi daripada riak asal yang disebabkan oleh denyutan laser femtosaat primer. Semasa proses HHG, pancaran laser yang kuat, seperti batu yang terus-menerus dibaling, menerangi sasaran gas, menyerupai permukaan tasik. Medan laser yang kuat ini mendorong elektron dalam gas, serupa dengan riak, menjauhi atom induknya dan kemudian menariknya kembali. Setiap kali elektron kembali ke atom, ia memancarkan pancaran laser baharu dengan frekuensi yang lebih tinggi, serupa dengan corak riak yang lebih rumit.

Penapisan dan Pemfokusan:

Menggabungkan semua pancaran laser yang baru dijana ini menghasilkan spektrum pelbagai warna (frekuensi atau panjang gelombang), yang sebahagiannya membentuk laser atosaat. Untuk mengasingkan saiz dan frekuensi riak tertentu, anda boleh menggunakan penapis khusus, seperti memilih riak yang dikehendaki, dan menggunakan kanta pembesar untuk memfokuskannya ke kawasan tertentu.

Mampatan Nadi (jika perlu):

Jika anda berhasrat untuk menyebarkan riak dengan lebih pantas dan lebih pendek, anda boleh mempercepatkan penyebarannya menggunakan peranti khusus, sekali gus mengurangkan masa setiap riak berlangsung. Penjanaan laser attosecond melibatkan interaksi proses yang kompleks. Walau bagaimanapun, apabila dipecahkan dan divisualisasikan, ia menjadi lebih mudah difahami.