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

Istilah "laser attosaat" memperoleh namanya daripada skala masa yang sangat singkat yang dikendalikannya, khususnya dalam susunan attosaat, bersamaan dengan 10^-18 saat. Untuk memahami kepentingan mendalam teknologi ini, pemahaman asas tentang apa yang ditandakan oleh attosaat adalah yang terpenting. Attosaat berdiri sebagai unit masa yang sangat minit, membentuk satu bilion daripada satu bilion saat dalam konteks yang lebih luas dalam satu saat. Untuk meletakkan ini dalam perspektif, jika kita menyamakan satu saat dengan gunung yang menjulang tinggi, attosaat akan serupa dengan sebutir pasir yang terletak di dasar gunung. Dalam selang temporal yang sekejap ini, cahaya pun hampir tidak dapat melintasi jarak yang setara dengan saiz atom individu. Melalui penggunaan laser attosaat, saintis memperoleh keupayaan yang tidak pernah berlaku sebelum ini untuk meneliti dan memanipulasi dinamik rumit elektron dalam struktur atom, serupa dengan ulang tayang gerak perlahan bingkai demi bingkai dalam urutan sinematik, dengan itu menyelidiki interaksi mereka.

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

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

Pengkategorian lanjut mengikut kuasa meletakkan laser kepada kurungan kuasa rendah, kuasa sederhana dan berkuasa tinggi. Laser attosaat mencapai kuasa puncak yang tinggi kerana tempoh nadinya yang sangat singkat, menghasilkan kuasa puncak yang jelas (P) – ditakrifkan sebagai keamatan tenaga per unit masa (P=W/t). Walaupun denyutan laser attosaat individu mungkin tidak mempunyai tenaga yang sangat besar (W), takat temporal yang disingkat (t) memberikannya kuasa puncak yang tinggi.

Dari segi domain aplikasi, laser merangkumi spektrum yang merangkumi aplikasi industri, perubatan dan saintifik. Laser attosecond terutamanya mencari 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 menggambarkan laser sebagai laser gas, laser keadaan pepejal, laser cecair dan laser semikonduktor. Penjanaan laser attosaat biasanya bergantung pada media laser gas, memanfaatkan kesan optik tak linear untuk menghasilkan harmonik tertib tinggi.

Ringkasnya, laser attosaat membentuk kelas unik laser nadi pendek, dibezakan dengan tempoh nadi yang sangat singkat, biasanya diukur dalam attosaat. Akibatnya, ia telah menjadi alat yang sangat diperlukan untuk memerhati dan mengawal proses dinamik ultrapantas elektron dalam atom, molekul, dan bahan pepejal.

Proses Terperinci Penjanaan Laser Attosaat

Teknologi laser attosecond berdiri di barisan hadapan dalam inovasi saintifik, menawarkan set syarat yang sangat ketat untuk penjanaannya. Untuk menjelaskan selok-belok penjanaan laser attosaat, kita mulakan dengan eksposisi 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 seterusnya bertujuan untuk menjadikan fizik asas laser attosaat boleh diakses.

Proses penjanaan laser attosaat bergantung terutamanya pada teknik yang dikenali sebagai Penjanaan Harmoni Tinggi (HHG). Pertama, pancaran denyutan laser femtosaat berintensiti tinggi (10^-15 saat) difokuskan pada bahan sasaran gas. Perlu diingat bahawa laser femtosaat, serupa dengan laser attosaat, berkongsi ciri-ciri memiliki tempoh nadi yang pendek dan kuasa puncak yang tinggi. Di bawah pengaruh medan laser yang sengit, 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, mereka 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 selepas penggabungan semula dengan nukleus atom, mereka membebaskan tenaga tambahan dalam bentuk pelepasan harmonik yang tinggi, menjelma sebagai foton bertenaga tinggi.

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

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

Denyutan Laser Femtosaat Berintensiti Tinggi:

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

Bahan Sasaran Gas:

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

Pergerakan Elektron dan Penggabungan Semula (Peralihan Disebut Secara Fizikal):

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

Penjanaan Harmonik Tinggi:

Bayangkan setiap kali titisan air jatuh semula ke permukaan tasik, ia menghasilkan riak, sama seperti harmonik tinggi dalam laser attosaat. Riak ini mempunyai frekuensi dan amplitud yang lebih tinggi daripada riak asal yang disebabkan oleh nadi laser femtosaat primer. Semasa proses HHG, pancaran laser yang kuat, sama seperti melontar batu secara berterusan, menerangi sasaran gas, menyerupai permukaan tasik. Medan laser yang sengit ini mendorong elektron dalam gas, sama 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 dihasilkan ini menghasilkan spektrum pelbagai warna (frekuensi atau panjang gelombang), beberapa daripadanya membentuk laser attosaat. Untuk mengasingkan saiz dan frekuensi riak tertentu, anda boleh menggunakan penapis khusus, sama seperti memilih riak yang diingini, dan menggunakan kaca pembesar untuk memfokuskannya pada kawasan tertentu.

Mampatan Nadi (jika perlu):

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