I ett betydelsefullt tillkännagivande kvällen den 3 oktober 2023 avtäcktes Nobelpriset i fysik för år 2023, vilket erkänner de enastående bidragen från tre forskare som har spelat centrala roller som pionjärer inom attosekundlasertekniken.

Termen "attosekundlaser" har fått sitt namn från den otroligt korta tidsskalan den arbetar med, närmare bestämt i storleksordningen attosekunder, vilket motsvarar 10^-18 sekunder. För att förstå den djupa betydelsen av denna teknik är en grundläggande förståelse för vad en attosekund betyder avgörande. En attosekund står som en ytterst minutiös tidsenhet, som utgör en miljarddels miljarddels sekund inom det bredare sammanhanget av en enda sekund. För att sätta detta i perspektiv, om vi skulle likna en sekund vid ett högt berg, skulle en attosekund vara som ett enda sandkorn inbäddat vid bergets fot. I detta flyktiga tidsintervall kan till och med ljus knappt färdas en sträcka motsvarande storleken på en enskild atom. Genom att använda attosekundlasrar får forskare den oöverträffade förmågan att granska och manipulera elektronernas invecklade dynamik i atomstrukturer, ungefär som en bildruta-för-bildruta slowmotion-uppspelning i en filmsekvens, och därigenom fördjupa sig i deras samspel.

Attosekundlasrarrepresenterar kulmen på omfattande forskning och samlade ansträngningar av forskare, som har utnyttjat principerna för ickelinjär optik för att skapa ultrasnabba lasrar. Deras tillkomst har gett oss en innovativ utsiktspunkt för observation och utforskning av de dynamiska processer som sker inom atomer, molekyler och till och med elektroner i fasta material.

För att belysa attosekundlasrarnas natur och uppskatta deras okonventionella egenskaper i jämförelse med konventionella lasrar är det absolut nödvändigt att utforska deras kategorisering inom den bredare "laserfamiljen". Klassificering efter våglängd placerar attosekundlasrar huvudsakligen inom intervallet ultravioletta till mjuka röntgenfrekvenser, vilket indikerar deras betydligt kortare våglängder i kontrast till konventionella lasrar. När det gäller utgångslägen faller attosekundlasrar under kategorin pulserade lasrar, som kännetecknas av sina extremt korta pulstider. För att dra en analogi för tydlighetens skull kan man föreställa sig kontinuerliga våglasrar som en ficklampa som avger en kontinuerlig ljusstråle, medan pulserade lasrar liknar ett stroboskopljus som snabbt växlar mellan perioder av belysning och mörker. I huvudsak uppvisar attosekundlasrar ett pulserande beteende i belysning och mörker, men deras övergång mellan de två tillstånden sker med en häpnadsväckande frekvens och når attosekundernas sfär.

Vidare kategorisering efter effekt placerar lasrar i lågeffekt, medeleffekt och högeffekt. Attosekundlasrar uppnår hög toppeffekt på grund av sina extremt korta pulslängder, vilket resulterar i en uttalad toppeffekt (P) – definierad som energiintensiteten per tidsenhet (P=W/t). Även om enskilda attosekundlaserpulser kanske inte har exceptionellt hög energi (W), ger deras förkortade tidsmässiga utbredning (t) dem förhöjd toppeffekt.

När det gäller tillämpningsområden spänner lasrar över ett spektrum som omfattar industriella, medicinska och vetenskapliga tillämpningar. Attosekundlasrar finner främst sin nisch inom vetenskaplig forskning, särskilt inom utforskningen av snabbt föränderliga fenomen inom fysik och kemi, och erbjuder en inblick i den mikrokosmiska världens snabba dynamiska processer.

Kategorisering efter lasermedium avgränsar lasrar som gaslasrar, fasta tillståndslasrar, flytande lasrar och halvledarlasrar. Genereringen av attosekundlasrar bygger vanligtvis på gaslasermedia, där man utnyttjar ickelinjära optiska effekter för att skapa högordningens övertoner.

Sammanfattningsvis utgör attosekundlasrar en unik klass av kortpulslasrar, som kännetecknas av sina utomordentligt korta pulstider, vanligtvis mätta i attosekunder. Som ett resultat har de blivit oumbärliga verktyg för att observera och kontrollera elektronernas ultrasnabba dynamiska processer i atomer, molekyler och fasta material.

Den utarbetade processen för attosekundlasergenerering

Attosekundlasertekniken står i framkant inom vetenskaplig innovation och kan skryta med en fascinerande och rigorös uppsättning villkor för dess generering. För att belysa invecklade aspekter av attosekundlasergenerering börjar vi med en koncis redogörelse för dess underliggande principer, följt av livfulla metaforer hämtade från vardagliga erfarenheter. Läsare som inte är insatta i den relevanta fysikens invecklade detaljer behöver inte misströsta, eftersom de efterföljande metaforerna syftar till att göra den grundläggande fysiken bakom attosekundlasrar lättillgänglig.

Genereringsprocessen för attosekundlasrar bygger huvudsakligen på den teknik som kallas High Harmonic Generation (HHG). För det första fokuseras en stråle av högintensiva femtosekundlaserpulser (10^-15 sekunder) tätt på ett gasformigt målmaterial. Det är värt att notera att femtosekundlasrar, liknande attosekundlasrar, delar egenskaperna att de har korta pulslängder och hög toppeffekt. Under inverkan av det intensiva laserfältet frigörs elektroner i gasatomerna tillfälligt från sina atomkärnor och går tillfälligt in i ett tillstånd av fria elektroner. När dessa elektroner oscillerar som svar på laserfältet återgår de så småningom till och rekombineras med sina ursprungliga atomkärnor, vilket skapar nya högenergitillstånd.

Under denna process rör sig elektroner med extremt höga hastigheter, och vid rekombination med atomkärnorna frigör de ytterligare energi i form av höga harmoniska emissioner, vilket manifesterar sig som högenergiska fotoner.

Frekvenserna för dessa nygenererade högenergifotoner är heltalsmultiplar av den ursprungliga laserfrekvensen, vilket bildar det som kallas högordningens övertoner, där "övertoner" betecknar frekvenser som är heltalsmultiplar av den ursprungliga frekvensen. För att uppnå attosekundlasrar blir det nödvändigt att filtrera och fokusera dessa högordningens övertoner, välja specifika övertoner och koncentrera dem till en fokuspunkt. Om så önskas kan pulskompressionstekniker ytterligare förkorta pulslängden, vilket ger ultrakorta pulser i attosekundområdet. Genereringen av attosekundlasrar är uppenbarligen en sofistikerad och mångfacetterad process som kräver en hög grad av teknisk skicklighet och specialiserad utrustning.

För att avmystifiera denna invecklade process erbjuder vi en metaforisk parallell baserad på vardagliga scenarier:

Högintensiva femtosekundlaserpulser:

Föreställ dig en exceptionellt kraftfull katapult som omedelbart kan kasta stenar i kolossala hastigheter, liknande den roll som högintensiva femtosekundlaserpulser spelar.

Gasformigt målmaterial:

Föreställ dig en lugn vattenmassa som symboliserar det gasformiga målmaterialet, där varje vattendroppe representerar otaliga gasatomer. Handlingen att kasta stenar ner i denna vattenmassa speglar analogt effekten av högintensiva femtosekundlaserpulser på det gasformiga målmaterialet.

Elektronrörelse och rekombination (fysiskt benämnd övergång):

När femtosekundlaserpulser träffar gasatomerna i det gasformiga målmaterialet, exciteras ett betydande antal yttre elektroner tillfälligt till ett tillstånd där de lossnar från sina respektive atomkärnor och bildar ett plasmaliknande tillstånd. Allt eftersom systemets energi sedan minskar (eftersom laserpulserna i sig är pulserade, med intervaller av upphörande), återvänder dessa yttre elektroner till sin närhet av atomkärnorna och frigör högenergiska fotoner.

Generering av hög harmonisk frekvens:

Tänk dig att varje gång en vattendroppe faller tillbaka till sjöns yta skapar den krusningar, ungefär som höga övertoner i attosekundlasrar. Dessa krusningar har högre frekvenser och amplituder än de ursprungliga krusningarna som orsakas av den primära femtosekundlaserpulsen. Under HHG-processen belyser en kraftfull laserstråle, som liknar att kontinuerligt kasta stenar, ett gasmål som liknar sjöns yta. Detta intensiva laserfält driver elektroner i gasen, analogt med krusningar, bort från sina moderatomer och drar dem sedan tillbaka. Varje gång en elektron återvänder till atomen avger den en ny laserstråle med en högre frekvens, som liknar mer invecklade krusningsmönster.

Filtrering och fokusering:

Genom att kombinera alla dessa nygenererade laserstrålar får man ett spektrum av olika färger (frekvenser eller våglängder), av vilka några utgör attosekundlasern. För att isolera specifika krusningsstorlekar och frekvenser kan man använda ett specialiserat filter, ungefär som att välja önskade krusningar, och använda ett förstoringsglas för att fokusera dem på ett specifikt område.

Pulskompression (vid behov):

Om man siktar på att fortplanta krusningar snabbare och kortare kan man accelerera deras utbredning med hjälp av en specialiserad anordning, vilket minskar tiden varje krusning varar. Genereringen av attosekundlasrar innebär ett komplext samspel av processer. Men när det bryts ner och visualiseras blir det mer begripligt.