Za pionierskie badania z fizyki attosekundowej. Fizyczny Nobel 2023 dla Pierre'a Agostiniego, Ferenca Krausza i Anne L'Huillier

Nieczęsto się zdarza, że istota osiągnięcia naukowego daje się uchwycić w jednym zdaniu języka naturalnego. Zwłaszcza w fizyce nagradzanej Noblem. W tym roku jednak jest inaczej.

Skonstruowanie „kamery” pozwalającej na obserwacje intymnego życia elektronów; wybicie okienka wychodzącego na świat niewyobrażalnie szybkich zjawisk fizycznych i chemicznych – tego właśnie wyczynu autorami są L’Huillier, Agostini i Krausz.

Niels Bohr zwykł kiedyś mawiać, że nie zdołamy dojrzeć elektronów. Rzeczywistość tych obdarzonych ładunkiem elektrycznym trwałych cząstek elementarnych wchodzących w skład atomów rozgrywa się bowiem attosekundach, czyli trylionowych ułamkach sekund. Ojciec mechaniki kwantowej mylił się, oczywiście, ale na dowód jego pomyłki dzisiejsi laureaci musieli pracować konsekwentnie przez trzy dekady.

Jak demonstrował dziś Mats Larsson, szef komitetu noblowskiego z fizyki, procesom, w którym udział biorą elektrony, jest tak daleko do ludzkich skal czasowych, mierzonych uderzeniami serca, jak tym drugim do wieku całego Wszechświata. Żeby tę rzeczywistość zbadać, zmierzyć, konieczne są więc niezwykle pomysłowe instrumenty, emitujące ultrakrótkie impulsy światła laserowego, opracowane właśnie przez L’Huillier, Agostiniego i Krausza.

Wątek badań, który spotkał się z uznaniem komisji noblowskiej, L’Huillier podjęła jeszcze w latach 80., pracując we francuskim ośrodku badawczym CEA Paris-Saclay. Pełne jego wyjaśnienie wymagałoby sięgnięcia do fundamentów mechaniki kwantowej i opowieści o wielu etapach pośrednich, w którym udział brali nie tylko nagrodzeni uczeni, poprzestańmy więc na ogólnym opisie.

L’Huillier analizowała światło emitowane przez atomy gazów szlachetnych, które wystawiano na działanie fotonów produkowanych przez wysokiej mocy laser działający w podczerwieni. Rozkład podstawowych częstotliwości (tzw. składowych harmonicznych) owego światła miał zaskakujący ówczesnych fizyków kształt. L’Huillier – we współpracy z kolegami – wyjaśniła przyczyny tego zjawiska. Zaproponowała też, jak niektóre z tych składowych można wykorzystać do generowania ultrakrótkich impulsów światła ultrafioletowego.

Można powiedzieć, że mapa fizyki attosekundowej została wstępnie naszkicowana, ale brakowało na niej podziałki. Wykonali ją pozostali nagrodzeni fizycy. Pierre Agostini, również działając na CEA Paris-Saclay, najpierw zdołał otrzymać serie impulsów, a później opracował metodę generowania ciągu błysków o określonej długości i częstości. Natomiast eksperymentujący na Universität Wien Ferenc Krausz znalazł sposób na wyodrębnianie pojedynczych impulsów.

Ich metoda ma potencjalnie przełomowe znaczenie dla kształtu przyszłości. Ponieważ elektrony są głównymi bohaterami rozmaitych procesów, choćby tych zachodzących w półprzewodnikach, umiejętność ich obserwacji pozwoli owe materiały projektować z jeszcze większym powodzeniem. Podobnie jest z reakcjami chemicznymi, także zachodzącymi w ludzkim ciele, z fotosyntezą.

Trójka tegorocznych noblistów nie dlatego jednak zajęła się obserwacją elektronów. „Byłam zafascynowana tym tematem od samego początku. To badania bardzo podstawowe. A badania podstawowe są bardzo ważne” – mówiła dziś Anne L’Huillier, wzruszona do tego stopnia, że z trudem znajdowała słowa. Telefon ze Sztokholmu odebrała z opóźnieniem, bo nie chciała przerywać prowadzonego przez siebie wykładu. Zaczekała do przerwy. „Minie czas, zanim dojdziemy do konkretnych zastosowań” – wyjaśniała.

Lista wyróżnionych Noblem z fizyki kobiet wygląda od dziś następująco:

• Marie Curie-Skłodowska (1903)
• Maria Goeppert Mayer (1963)
• Donna Strickland (2018)
• Andrea Ghez (2020)
• Anne L’Huillier (2023)

O tegorocznej nagrodzie będziemy pamiętać także z tego właśnie powodu.

O tegorocznych noblistach:

Pierre Agostini

Fizyk doświadczalny urodzony w 1941 r. w Tunisie, wówczas protektoracie francuskim. Po studiach w Aix-Marseille University pracował naukowo w CEA Saclay, jednej z jednostek badawczych francuskiego komitetu do spraw energii atomowej (podobnie zresztą jak Anne L’Huillier). Od 2005 r. działa na Ohio State University. Wielokrotnie wyróżniany i nagradzany – głównie za autorską technikę charakteryzowania attosekundowych impulsów światła, w skrócie zwaną RABBITT (reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions).

Ferenc Krausz

Fizyk urodzony na Węgrzech w 1962 r. Studiował w Budapeszcie, w dwóch uczelniach – Eötvös Loránd University oraz tamtejszej politechnice. W tej chwili jest szefem wydziału fizyki doświadczalnej Ludwig Maximilians University in Munich. Jako pierwszy (wraz z zespołem) wygenerował impulsy światła o długości nieprzekraczającej jednej femtosekundy (biliardowej części sekundy). Jest autorem wielu technik laserowych wykorzystywanych w laboratoriach całego świata. Bada m.in. użycie techniki attosekundowej w diagnostyce biomedycznej.

Anne L’Huillier

Francuska fizyczka urodzona w 1958 r., dziś pracująca w szwedzkim Lund University. Najpierw studiowała fizykę teoretyczną i matematyczną, by dopiero później, robiąc doktorat, dokonać skoku na terytorium eksperymentu. Po serii epizodów pracy w rozmaitych ośrodkach badawczych w 1994 r. osiadła w Szwecji. Wielokrotnie nagradzana, wypracowała niebywale precyzyjne metody obserwacji elektronów w czasie rzeczywistym.

***

Królewska Szwedzka Akademia Nauk postanowiła przyznać Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2023 r. Pierre'owi Agostiniemu, Ferencowi Krauszowi i Anne L'Huillier „za metody eksperymentalne, które generują attosekundowe impulsy światła do badania dynamiki elektronów w materii”.

Nagroda w tej kategorii została ogłoszona 3 października 2023 roku w The Royal Swedish Academy of Sciences.