Нобелевская премия 2023

«Остановись, мгновенье! Ты прекрасно!» – когда увидел новость о том, что в этом году Нобелевскую премию по физике присудили за исследование аттосекундных импульсов, мне сразу вспомнилась эта цитата из «Фауста». Думаю, многие хотели бы замедлить течение счастливых моментов. Создавая для «фотографирования» лазеры с аттосекундной длительностью импульса, ученые решают именно такую задачу.
Алексей Самсонов, аспирант МГУ Саров

Помню, на лекциях в МГУ Саров преподаватели, рассказывая об истории развития ультракоротких лазерных импульсов и сверхбыстрых измерений, в первую очередь вспоминали известного фотографа Эдварда Мейбриджа. Используя одновременно несколько камер, он еще в 1878 году провел уникальный для того времени эксперимент по фотографированию бега лошади. Это было попыткой разрешить спор между губернатором Леландом Стэнфордом, который утверждал, что конь, бегущий галопом, отрывает все ноги от земли, и двумя его оппонентами. Последние настаивали на том, что хотя бы одна нога коня при беге остается на поверхности. Запечатленные «прекрасные мгновения» жизни лошади стали первым успешным опытом того, что двадцать лет спустя братья Люмьер назовут кинематографом.
Алексей Самсонов, аспирант МГУ Саров

Спустя почти век Ахмед Зевейл получил Нобелевскую премию по химии, запечатлев наиболее важные моменты в жизни молекул и групп атомов на различных стадиях химических реакций с помощью ультракоротких лазерных импульсов. О том, какой минимальной длительности нам необходимы лазерные импульсы, чтобы наблюдать в реальном времени динамику быстропротекающих элементарных молекулярных процессов, можно судить, взяв самый легкий химический элемент – водород. Период его молекулярных колебаний составляет примерно 7-8 фемтосекунд (10^(-15) секунды). Поэтому большинство вопросов XX века, связанных с молекулярной динамикой, решились с помощью лазера фемтосекундной длительности.

Алексей Самсонов, аспирант МГУ Саров

Однако для изучения и управления динамикой электронной системы внутри атомов требуются импульсы с еще более короткой длительностью – аттосекундные (10^(-18) секунды). Ответить на вопрос, почему нужно именно такое разрешение, достаточно легко, если посчитать период «вращения» электрона в основном состоянии вокруг ядра в атоме водорода, который составляет примерно 150 аттосекунд. Просто представьте, что человеческая жизнь равна примерно 10^(9) секунд, а возраст Вселенной – около 14 млрд лет, или 10^(17) секунд. Если растянуть масштаб длительности 1 аттосекунды до 1 секунды, то это просто превысит возраст Вселенной. Генерация аттосекундных импульсов стала возможной лишь в начале XXI века на основе нелинейно-оптических взаимодействий фемтосекундных лазерных импульсов предельно короткой длительности с газовой средой.

Алексей Самсонов, аспирант МГУ Саров

Использование аттосекундных импульсов открыло новый раздел науки – аттосекундную физику, которая в ближайшем будущем ответит на многие волнующие вопросы, связанные с электронной динамикой внутри молекул и атомов. Это очень важно, так как наше время знаменуется прогрессом в развитии электронно-вычислительной техники и все более высокими скоростями обработки информации. Чтобы найти предел быстродействия, необходимо изучать динамику движения электронов в атоме. Аттосекундная физика в настоящий момент открывает возможности управлять сверхбыстрыми явлениями в атомарных и молекулярных системах, а также в твердом теле. Это создает условия для возникновения нового направления оптических технологий – петагерцовой оптоэлектроники, на принципах которой будут основаны информационные системы будущего.
Алексей Самсонов, аспирант МГУ Саров

Насколько мне известно, наши коллеги из Лаборатории фотоники и нелинейной спектроскопии МГУ под руководством профессора А. М. Желтикова на протяжении многих лет вели интенсивные исследования в этом направлении. В ряде совместных работ с лауреатами Ференцем Краусом и Энн Л’Юилье они изучали различные аспекты генерации и использования аттосекундных импульсов.
Алексей Самсонов, аспирант МГУ Саров

Исследования в области аттосекундной физики ведутся и в России. Есть теоретические работы, моделирующие их источники, но сами импульсы экспериментально пока не были сгенерированы. В бакалавриате я учился в МГУ на кафедре общей физики и волновых процессов и занимался генерацией гармоник при взаимодействии высокоинтенсивного лазерного излучения с газовой струей. Это один из способов, который позволяет создать импульс аттосекундной длительности.
Константин Михеев, магистрант МГУ Саров

Излучение, сгенерированное в ходе моей бакалаврской работы, имело недостаточно широкий спектр для генерации аттосекундных импульсов, однако на данный момент в этой лаборатории удалось получить излучение с достаточно большой шириной спектра, которое в будущем может быть использовано для генерации аттосекундных импульсов.
Константин Михеев, магистрант МГУ Саров

Сейчас моя работа на практике связана с моделированием распространения лазерного излучения в поглощающих средах в волновом приближении. В данный момент я работаю над решением двумерной задачи распространения лазерного излучения при помощи численного решения волнового уравнения.
Константин Михеев, магистрант МГУ Саров