Kampsportens verden, kun hurtigt.
Nogle gange vil vi sætte en meget kort tid, beskrevet som "tiden for et hjerteslag", og varigheden af et hjerteslag er 10 til 18. potens af et sekund.
I et nyligt eksperiment, der ligner stop-motion fotografering, fangede et team af forskere fra USA og Tyskland for første gang "fryse rammer" af elektroner, der bevægede sig i flydende vand i realtid, og resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Science.
Eksperter fra juryen forklarer forskningsresultaterne for vinderne af Nobelprisen i fysik 2023 ved offentliggørelsen af 2023 Nobelprisen i fysik i Stockholm, Sverige, 3. oktober 2023
Ifølge eksperterne markerer resultatet et stort fremskridt inden for eksperimentel fysik, der giver et vindue ind i den elektroniske struktur af molekyler i væsker på tidsskalaer, som tidligere var uopnåelige med røntgenstråler. Tidligere var videnskabsmænd kun i stand til at løse elektronbevægelser på picosecond (1 sekund=1 billioner picoseconds) tidsskala. Nu giver evnen til at studere de elektroniske reaktioner af røntgenstråler, der rammer et mål på attosecond-skalaen, forskere til at dykke ned i strålingsinducerede kemiske reaktioner en million gange hurtigere end tidligere metoder.
Alt tyder på, at attosecond-laseren kan være nøglen til at låse op for elektronikkens mystiske verden.
Hvad er et "attosekund"?
For almindelige mennesker er attosekundet et yderst mærkeligt begreb.
Faktisk, så tidligt som i de krigsførende stater, Kinas berømte tænker, liget Kao fremførte "fire sider op og ned sagde Yu, antikke og moderne sagde Zeus," det enkle syn på rum og tid. Den dag i dag, på forkant med fysikforskning, er rum og tid stadig de vigtigste og grundlæggende to dimensioner.
For så vidt angår menneskelige sanser, når et objekt er i hurtig bevægelse, er dets billeder sløret og overlappet, og ændringer, der sker på meget kort tid, kan ikke observeres. Det er derfor vigtigt for videnskabsmænd at udvikle mere præcise "tidsvinduer" til at fange eller skildre disse meget korte øjeblikke.
I det 19. århundrede var der et meget omtalt og omdiskuteret spørgsmål i fysikken: Når en hest løber, forlader alle fire ben jorden på samme tid?
Den amerikanske iværksætter Leland Stanford var meget interesseret i dette spørgsmål. For at bekræfte denne formodning henvendte han sig til den berømte fotograf Edvard Muybridge. I de dage var videofunktionen endnu ikke blevet født, da responstiden for kameraudløseren var 15 sekunder, nogle gange endda op til et minut.
Heste ville ikke sætte farten ned for at tage sig af kameraudløseren, og deres klaprende hove var den største hindring for at verificere denne hypotese. Edvard Maibridge gav ikke så let op, han havde den lyse idé, ikke kun at forbedre kameraets lukkerdesign, men placerede også 12 kameraer og mekanismer på landingsbanen. Når hesten nærmede sig kameraet, blev mekanismen udløst, og der ville blive taget et billede. Til sidst satte han de 12 billeder sammen, hvilket er hele processen med hestens løb.
Ved at se på de splejsede billeder fandt folk hurtigt svaret på spørgsmålet: Når en hest løber, kan den faktisk fange et øjeblik - dens fire ben forlader jorden på samme tid.
Den 3. oktober 2023 meddelte Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi, at det havde tildelt dette års Nobelpris i fysik til Pierre Agostini, Ferenc Krauss og Anne Lhuillier for deres "eksperimentelle metode til at generere attosekunds lysimpulser til studiet af dynamikken i elektroner i stof."
"Vi kan nu åbne døren til elektronernes verden. Attosecond-fysikken har givet os mulighed for at forstå elektronisk kontrols mekanismer. Næste skridt bliver at udnytte dem." Sådan siger Eva Olson, formand for Nobelkomiteen for Fysik.
Da videnskabsmænd kastede deres perspektiv ind i elektronernes verden, opdagede de, at hastigheden af ændring i position og energi varierer mellem et og flere hundrede attosekunder, hvor et attosekund er en milliardtedel af et sekund. Teknologien med attosekunds pulseret lys er den hurtigste tidsskala, der i øjeblikket er tilgængelig for menneskeheden, og den er som en lineal, jo finere målestoksskalaen er, jo højere præcision er det målbare.
Yuan Lanfeng, vicedirektør for Institut for Videnskab og Teknologi Kommunikation, School of Humanities and Social Sciences, University of Science and Technology of China, sagde, at attosecond-lyspulsen kan forstås som princippet om højhastighedskamera, og at en kamera med en hurtig reaktionshastighed er nødvendig for at fange de vidunderlige øjeblikke af en persons bevægelsesproces. Attosekundets lysimpuls er "højhastighedskameraet" i mikroskopisk reaktionsforskning.
Tidligere var tidsgrænsen for laserimpulser "femtosekunder", hvilket var nok til, at folk kunne se atomer, men for elektroner var tidsopløsningen af "femtosekunder" så grov, at man ifølge denne skala kun kunne opnå en mosaik-lignende effekt. De sammenhængende lyspulser skrider frem fra femtosekunder
Udviklingen af sammenhængende lysimpulser fra femtosekunder til attosekunder er ikke kun et simpelt fremskridt i tidsskala, men endnu vigtigere, det fremmer menneskers evne til at studere stofstrukturen fra atomernes og molekylernes bevægelse til atomernes inderside, hvor de kan undersøge elektroners bevægelses- og korrelationsadfærd, hvilket vil føre til en stor revolution inden for grundlæggende fysikforskning.
Hvad vil attosekundet bringe til almindelige mennesker?
En dag i 1999 vandt Ahmed Xavier, professor ved California Institute of Technology, Nobelprisen i kemi for sin opdagelse. Xaviers forskning i 1980'erne, ved at bruge en laserstråle til at filme oscillationerne af atomer i overgangstilstanden, hjalp forskere med at observere atomer og molekyler i processen med kemiske reaktioner i "langsom bevægelse", og dermed til at studere arten og strukturen af overgangstilstand. Af denne grund er Xavier også kendt som "faderen til femtosekundkemi".
Siden da er forskere kommet til at indse, at lasere, ligesom lyn, kan fange disse flygtige øjeblikke. Denne opdagelse gav det teoretiske grundlag for en række forstyrrende undersøgelser.
I dag er denne lasers hastighed blevet opgraderet med tusind gange, og har med succes realiseret den drastiske ændring fra femtosekunder til attosekunder.
I dag, når folk nævner femtosekund laser, kan de ofte tænke på de mange anvendelser repræsenteret ved femtosekund laser nærsynethed kirurgi. Og når det kommer til attosecond laser, synes det svært at forbinde dette udtryk med almindelige menneskers produktive liv.
Yuan Lanfeng sagde ærligt, "a-sekund-laseren er ikke meget brugbar i øjeblikket, dens anvendelse er lige begyndt, og den er stadig fast i grundforskningen." Dette betyder dog ikke, at attosecond-lysimpulsen ikke har noget anvendelsespotentiale, "den åbner en dør, men hvad der er bag denne dør skal vi stadig udforske i dybden." Han sagde.
Så hvad er der bag den dør?
Pulserende feltablationssystem fotograferet på Medtronic-standen i Medical Devices and Healthcare-sektionen på den 6. messe den 5. november 2023
"Elektronbevægelse er ansvarlig for at generere lys samt dannelse og brydning af kemiske bindinger, der ændrer strukturen af biomolekyler og deres funktion i levende systemer, og for at behandle information så hurtigt som muligt...... I dag bruger vi attosekunds lysimpulser for bedre at forstå mikroskopiske involverende elektroner, atomer og molekyler processer og finde ud af, hvordan de påvirker den makroskopiske verden." Tidligere, efter at have vundet Ulveprisen i fysik, udtalte Ferenc Krauss værdien af anvendelserne af attosecond-fysik på denne måde.
Eva Olson sagde på den anden side, at attosecond-fysik giver os mulighed for at forstå mekanismerne for elektronisk kontrol, hvilket baner vejen for potentielle anvendelser i den elektroniske informationsindustri og medicin.
Wei Zhiyi, en forsker ved Institut for Fysik ved Det Kinesiske Videnskabsakademi, mener, at teknologien kan kombineres med superledning, nanomaterialer, solcelleindustrien, lægemidler, lasermedicin og andre områder for at fremme en mere dybdegående forståelse af strukturen menneskehedens stof, hvilket vil føre til relevante revolutionære fremskridt.
Uden tvivl, selvom den nuværende anvendelse af attosecond-fysik stadig er en afstand fra nogle menneskers fantasi, har den en ekstrem bred vifte af anvendelsesscenarier.
Det giver menneskeheden et par "intelligente øjne" til at studere den mikroskopiske verden.
Med dens støtte vil mange mikroskopiske processer ikke længere kræve "omstændige beviser" for at blive bekræftet, men kan observeres direkte: attosecond laseren kan bruges til at fotografere en række højhastighedsbevægelsesprocesser, såsom kemiske reaktioner, molekylær skala bevægelse og bevægelse i atomskala.
Fotografering af kemiske reaktioner med attosecond-lasere kan hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå reaktionsmekanismer og yderligere forbedre kemiske processer. Fotografering af molekyler og atomers bevægelser med attosekundlasere kan afsløre deres interaktioner og kinetiske processer, som er vigtige for forskning i materialevidenskab og biovidenskab.
Inden for biomedicin, for eksempel, forventes den højopløselige billeddannelsesteknologi af attosekundpulser at forbedre den tidlige diagnose og behandling af sygdomme og give nye gennembrud til studiet af kræft, neurologiske sygdomme og andre store medicinske udfordringer.
Det er underforstået, at Ferenc Krauss-teamet også forsøger at bruge femtosekund- og attosekund-teknikker til at analysere blodprøver og detektere små ændringer i dem. De analyserer, om disse ændringer er specifikke nok til klart at kunne diagnosticere sygdommen i den indledende fase af sygdommen, denne teknologi kan have en væsentlig indflydelse på studiet af kræft og andre vanskelige sygdomme.
Accelerationen af "attosecond-æraen"?
I 2021 udgav magasinet Science "125 af verdens mest banebrydende videnskabelige problemer", hvoraf mere end 10 skal løses af ultrahurtig videnskab. Fremkomsten af attosekundpulser forventes at føre til mere originale innovationer inden for flere områder af videnskabelig og anvendt forskning.
Attosekundlaseren, ikke en naturgave, men et menneskeskabt mirakel.
Den franske fysiker Anne Lhuillier var den første til at opdage værktøjerne til at åbne en verden af attosekunder. i 1987 lavede hun gasioniseringseksperimenter, bølgelængden af 1064 nanometer laserlys til argon og flere andre sjældne gasser, gassen så ud til at have en anden farve end tidligere eksperimenter.
Hun udgav derefter en nøgleartikel, hvor hun opdagede fænomenet højharmoniske genereret af stærk laserbestråling af ædelgasser, og opnåede den typiske spektrale struktur af højharmoniske, hvis spektrale bredde har været i stand til at understøtte impulser i størrelsesordenen attosekunder, hvilket giver forudsætningsbetingelserne for laserimpulsers gennembrud til attosekunder. Siden da har hendes forskerkarriere og attosekundlasere været tæt sammenflettet, og 16 år senere førte hun et team af forskere til at sætte verdensrekord for den korteste laserpuls på 170 attosekunder.
De to andre videnskabsmænd, der vandt Nobelprisen i fysik sammen med hende, har også tilføjet "attosecond building": Ungareren Ferenc Kraus førte et team af forskere til at skabe og måle den første attosecond lyspuls i 2001 og brugte den til at fange bevægelse af elektroner inde i atomer, hvilket markerer fødslen af attosekundsfysikken. Derudover lykkedes det hans hold at isolere impulser, der varede 650 attosekunder, første gang, forskerne med succes har sporet løsrivelsen af elektroner fra atomer. Franskmanden Pierre Agostini, en leder inden for interaktionen af stærkt felt-lasere med atomer, og hans team var banebrydende i attosekundens fysik ved at generere og måle attosekundes lysimpulser for første gang og bruge dem til at fange elektronernes bevægelse inde i atomer.
I dag konkurrerer flere forskere om topplaceringen på området i mange dele af verden.
I laboratoriet er de frugtbare resultater hyppige: I 2022 samarbejdede forskere fra University of Michigan og University of Regensburg i Tyskland om at fange elektronernes bevægelse inden for et par hundrede attosekunder, den hidtil hurtigste hastighed.
Samme år samarbejdede et team af forskere fra Center for Advanced Photonics ved RIKEN Institute of Science and Chemistry i Japan og University of Tokyo om at udvikle en ny type interferometer til håndtering af frynser, der stammer fra optisk interferens, der stammer fra attosekundpulser og kvanteinterferens med elektroniske tilstande i stof. De demonstrerede gennemførligheden af interferometerskemaet ved post-generativ opsplitning af højharmoniske impulser gennem eksperimenter med prøver af heliumatomer.
Derudover er international konstruktion og konkurrence om et attosecond laseranlæg påbegyndt. Fortaleret af den nobelprisvindende fysiker Gérard Mourou og andre, har EU taget føringen i Ungarn i opførelsen af European Extreme Light Facility-Altosecond Light Source (ELI-ALPS), og har fremmet opbygningen af internationalt anerkendte virksomheder som f.eks. som Fastlite, Active Fiber og Light Conversion. Laserteknologivirksomheder som Fastlite, Active Fiber, Light Conversion og andre internationalt anerkendte produktiterering og opgradering, vil disse nye generationers laserteknologi spille en vigtig rolle inden for avanceret fremstilling, national forsvarsvidenskab og -teknologi og andre områder.
I Kina udfører relevante videnskabelige forskningsenheder infrastrukturkonstruktion af attosecond-lyskilder i stor skala, såsom Institut for Fysik ved Det Kinesiske Videnskabsakademi og Songshan Lake Materials Laboratory i Dongguan, Guangdong-provinsen, Songshan-søen for at bygge attosecond science center. Det er underforstået, at efter afslutningen af dette center forventes at opnå den internationale førende omfattende indikatorer.
