Dowiedz się czym jest attosekunda i dlaczego to właśnie od niej zależała tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki?
Właśnie minęło miliard miliardów attosekund, kiedy to czytałeś. Dlaczego tak krótki okres czasu jest kluczowy dla tegorocznych laureatów Nagrody Nobla z fizyki? Grupa trzech badaczy zdobyła Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2023 roku za pracę, która zrewolucjonizowała sposób, w jaki naukowcy badają elektron — poprzez oświetlanie cząsteczek błyskami światła trwającymi attosekundę. Ale jak długa jest attosekunda i co te nieskończenie krótkie impulsy mogą powiedzieć badaczom o naturze materii?
Z tym obszarem badań możesz zerknąć się na zajęciach z chemii fizycznej, przy omawianiu badań reakcji chemicznych za pomocą impulsów attosekundowych. Zanim zrozumiemy, dlaczego badania nad attosekundą zaowocowały najbardziej prestiżową nagrodą w nauce, warto zrozumieć, czym jest attosekundowy impuls światła.
Attosekunda jest niewiarygodnie mała w porównaniu z sekundą. „Atto” to przedrostek zapisu naukowego reprezentujący 10⁻¹⁸ czyli kropkę dziesiętną, po której następuje 17 zer i 1. Zatem błysk światła trwający attosekundę, czyli 0,000000000000000001 sekundy, jest niezwykle krótkim impulsem światła .
W rzeczywistości w ciągu jednej sekundy przypada mniej więcej tyle attosekund, ile sekund ma cały wszechświat.
Wcześniej naukowcy mogli badać ruch cięższych i wolniej poruszających się jąder atomowych za pomocą femtosekundowych (10⁻¹⁵) impulsów świetlnych. Tysiąc attosekund mieści się w 1 femtosekundzie. Jednak badacze nie byli w stanie zaobserwować ruchu w skali elektronowej, dopóki nie wygenerowali attosekundowych impulsów świetlnych – elektrony poruszają się zbyt szybko, aby naukowcy mogli dokładnie przeanalizować, co robią na poziomie femtosekundowym.
Impulsy attosekundowe
Przegrupowanie elektronów w atomach i cząsteczkach kieruje wieloma procesami w fizyce i leży u podstaw praktycznie każdej części chemii. Dlatego badacze włożyli wiele wysiłku w ustalenie, w jaki sposób elektrony poruszają się i przestawiają.
Jednakże elektrony poruszają się bardzo szybko w procesach fizycznych i chemicznych, co utrudnia ich badanie. Aby zbadać te procesy, naukowcy wykorzystują spektroskopię – metodę badania, w jaki sposób materia absorbuje lub emituje światło. Aby śledzić elektrony w czasie rzeczywistym, badacze potrzebują impulsu światła krótszego niż czas potrzebny na zmianę układu elektronów.
Jako analogię wyobraźmy sobie aparat, który może wykonywać tylko dłuższe ekspozycje, trwające około 1 sekundy. Rzeczy w ruchu, takie jak osoba biegnąca w stronę aparatu lub ptak lecący po niebie, będą na robionych zdjęciach niewyraźne i trudno będzie dokładnie zobaczyć, co się dzieje.
Następnie wyobraź sobie, że używasz aparatu z ekspozycją 1 milisekundy. Teraz ruchy, które wcześniej były rozmazane, zostaną ładnie rozdzielone na wyraźne i precyzyjne migawki. W ten sposób użycie skali attosekundowej zamiast skali femtosekundowej może wyjaśnić zachowanie elektronów.
Badania attosekundowe
Na jakie zatem pytania impulsy attosekundowe mogą pomóc odpowiedzieć naukowcom?
Po pierwsze, zerwanie wiązania chemicznego jest podstawowym procesem w przyrodzie, w którym elektrony wspólne dla dwóch atomów rozdzielają się na niezwiązane atomy. W trakcie tego procesu wcześniej wspólne elektrony ulegają ultraszybkim zmianom, a impulsy attosekundowe umożliwiły badaczom śledzenie w czasie rzeczywistym zerwania wiązania chemicznego.
Zdolność do generowania impulsów attosekundowych – badania, za które trzej badacze otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2023 roku – stała się możliwa po raz pierwszy na początku XXI wieku i od tego czasu dziedzina ta stale szybko się rozwija. Zapewniając krótsze migawki atomów i cząsteczek, spektroskopia attosekundowa pomogła naukowcom zrozumieć zachowanie elektronów w pojedynczych cząsteczkach, na przykład migrację ładunku elektronów i pękanie wiązań chemicznych między atomami.
Na większą skalę technologię attosekundową zastosowano również do badania zachowania elektronów w ciekłej wodzie, a także przenoszenia elektronów w półprzewodnikach w stanie stałym. W miarę ciągłego doskonalenia zdolności badaczy do wytwarzania attosekundowych impulsów świetlnych zyskają głębsze zrozumienie podstawowych cząstek tworzących materię.
➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!
źródło: live Science
Od 2005 roku zajmuję się komunikacją internetową i e-marketingiem, jestem pasjonatem urządzeń mobilnych oraz nowych technologii – i nie waham się ich używać.