Mewn cyhoeddiad arwyddocaol ar noson Hydref 3, 2023, datgelwyd Gwobr Nobel mewn Ffiseg am y flwyddyn 2023, gan gydnabod cyfraniadau rhagorol tri gwyddonydd sydd wedi chwarae rolau allweddol fel arloeswyr ym maes technoleg laser attosecond.

Mae'r term "laser attosecond" yn deillio ei enw o'r amserlen anhygoel o fyr y mae'n gweithredu arni, yn benodol yn nhrefn attoseconds, sy'n cyfateb i 10^-18 eiliad. Er mwyn deall arwyddocâd dwfn y dechnoleg hon, mae dealltwriaeth sylfaenol o'r hyn y mae attosecond yn ei olygu yn hollbwysig. Mae attosecond yn sefyll fel uned amser hynod funud, sy'n ffurfio un biliynfed o biliynfed o eiliad o fewn cyd-destun ehangach un eiliad. I roi hyn mewn persbectif, pe baem yn cymharu eiliad â mynydd uchel, byddai attosecond yn debyg i un gronyn o dywod wedi'i nythu wrth waelod y mynydd. Yn y cyfnod amserol byrhoedlog hwn, prin y gall hyd yn oed golau deithio pellter sy'n cyfateb i faint atom unigol. Trwy ddefnyddio laserau attosecond, mae gwyddonwyr yn cael y gallu digynsail i graffu a thrin deinameg gymhleth electronau o fewn strwythurau atomig, yn debyg i ailchwarae symudiad araf ffrâm wrth ffrâm mewn dilyniant sinematig, a thrwy hynny ymchwilio i'w rhyngweithio.

Laserau attosecondyn cynrychioli uchafbwynt ymchwil helaeth ac ymdrechion cydgysylltiedig gan wyddonwyr, sydd wedi harneisio egwyddorion opteg anlinellol i greu laserau uwchgyflym. Mae eu dyfodiad wedi rhoi mantais arloesol inni ar gyfer arsylwi ac archwilio'r prosesau deinamig sy'n digwydd o fewn atomau, moleciwlau, a hyd yn oed electronau mewn deunyddiau solet.

Er mwyn egluro natur laserau attosecond a gwerthfawrogi eu priodoleddau anghonfensiynol o'u cymharu â laserau confensiynol, mae'n hanfodol archwilio eu categoreiddio o fewn y "teulu laserau" ehangach. Mae dosbarthu yn ôl tonfedd yn gosod laserau attosecond yn bennaf o fewn yr ystod o amleddau uwchfioled i belydr-X meddal, sy'n dynodi eu tonfeddi byrrach yn sylweddol o'i gymharu â laserau confensiynol. O ran dulliau allbwn, mae laserau attosecond yn dod o dan y categori laserau pwls, a nodweddir gan eu hyd pwls hynod fyr. I dynnu cyfatebiaeth er mwyn eglurder, gellir dychmygu laserau tonnau parhaus fel rhai tebyg i fflachlamp sy'n allyrru trawst parhaus o olau, tra bod laserau pwls yn debyg i olau strob, gan newid yn gyflym rhwng cyfnodau o oleuo a thywyllwch. Yn ei hanfod, mae laserau attosecond yn arddangos ymddygiad pwlsiadol o fewn y goleuo a'r tywyllwch, ond mae eu trawsnewidiad rhwng y ddau gyflwr yn digwydd ar amledd rhyfeddol, gan gyrraedd parth attoseconds.

Mae categoreiddio pellach yn ôl pŵer yn gosod laserau yn gromfachau pŵer isel, pŵer canolig, a phŵer uchel. Mae laserau attosecond yn cyflawni pŵer brig uchel oherwydd eu hyd pwls hynod fyr, gan arwain at bŵer brig amlwg (P) - a ddiffinnir fel dwyster yr ynni fesul uned amser (P=W/t). Er efallai na fydd gan bylsys laser attosecond unigol ynni eithriadol o fawr (W), mae eu cwmpas amserol byrrach (t) yn rhoi pŵer brig uwch iddynt.

O ran meysydd cymhwysiad, mae laserau'n cwmpasu sbectrwm sy'n cwmpasu cymwysiadau diwydiannol, meddygol a gwyddonol. Mae laserau attosecond yn bennaf yn dod o hyd i'w niche ym maes ymchwil wyddonol, yn enwedig wrth archwilio ffenomenau sy'n esblygu'n gyflym ym meysydd ffiseg a chemeg, gan gynnig ffenestr i brosesau deinamig cyflym y byd microcosmig.

Mae categoreiddio yn ôl cyfrwng laser yn diffinio laserau fel laserau nwy, laserau cyflwr solid, laserau hylif, a laserau lled-ddargludyddion. Mae cynhyrchu laserau attosecond fel arfer yn dibynnu ar gyfryngau laser nwy, gan fanteisio ar effeithiau optegol anlinellol i greu harmonigau o orchymyn uchel.

I grynhoi, mae laserau attosecond yn ffurfio dosbarth unigryw o laserau pwls byr, sy'n cael eu gwahaniaethu gan eu hyd pwls hynod fyr, a fesurir fel arfer mewn attoseconds. O ganlyniad, maent wedi dod yn offer anhepgor ar gyfer arsylwi a rheoli prosesau deinamig cyflym iawn electronau o fewn atomau, moleciwlau a deunyddiau solet.

Y Broses Gymhleth o Gynhyrchu Laser Attosecond

Mae technoleg laser attosecond ar flaen y gad o ran arloesedd gwyddonol, gan frolio set o amodau hynod drylwyr ar gyfer ei chynhyrchu. Er mwyn egluro cymhlethdodau cynhyrchu laser attosecond, rydym yn dechrau gydag esboniad cryno o'i egwyddorion sylfaenol, ac yna trosiadau bywiog sy'n deillio o brofiadau bob dydd. Nid oes angen i ddarllenwyr nad ydynt yn gyfarwydd â chymhlethdodau'r ffiseg berthnasol anobeithio, gan fod y trosiadau sy'n dilyn yn anelu at wneud ffiseg sylfaenol laserau attosecond yn hygyrch.

Mae'r broses gynhyrchu laserau attosecond yn dibynnu'n bennaf ar y dechneg a elwir yn Gynhyrchu Harmonig Uchel (HHG). Yn gyntaf, mae trawst o bylsiau laser femtosecond dwyster uchel (10^-15 eiliad) yn cael ei ffocysu'n dynn ar ddeunydd targed nwyol. Mae'n werth nodi bod laserau femtosecond, yn debyg i laserau attosecond, yn rhannu'r nodweddion o fod â hydau byr o bylsiau a phŵer brig uchel. O dan ddylanwad y maes laser dwys, mae electronau o fewn yr atomau nwy yn cael eu rhyddhau am eiliad o'u niwclysau atomig, gan fynd i mewn i gyflwr o electronau rhydd dros dro. Wrth i'r electronau hyn osgiliadu mewn ymateb i'r maes laser, maent yn y pen draw yn dychwelyd i'w niwclysau atomig rhiant ac yn ailgyfuno â nhw, gan greu cyflyrau egni uchel newydd.

Yn ystod y broses hon, mae electronau'n symud ar gyflymderau uchel iawn, ac ar ôl ailgyfuno â'r niwclysau atomig, maent yn rhyddhau egni ychwanegol ar ffurf allyriadau harmonig uchel, gan amlygu fel ffotonau egni uchel.

Mae amleddau'r ffotonau egni uchel newydd eu cynhyrchu hyn yn lluosrifau cyfan o amledd y laser gwreiddiol, gan ffurfio'r hyn a elwir yn harmonigau trefn uchel, lle mae "harmonigau" yn dynodi amleddau sy'n lluosrifau annatod o'r amledd gwreiddiol. I gael laserau attoseilon, mae'n angenrheidiol hidlo a ffocysu'r harmonigau trefn uchel hyn, gan ddewis harmonigau penodol a'u crynhoi i mewn i bwynt ffocal. Os dymunir, gall technegau cywasgu pwls fyrhau hyd y pwls ymhellach, gan gynhyrchu pylsau ultra-fyr yn yr ystod attoseilon. Yn amlwg, mae cynhyrchu laserau attoseilon yn broses soffistigedig ac amlochrog, sy'n gofyn am radd uchel o allu technegol ac offer arbenigol.

I ddad-ddirgelwch y broses gymhleth hon, rydym yn cynnig paralel metafforig wedi'i seilio ar senarios bob dydd:

Pwlsiau Laser Femtosecond Dwyster Uchel:

Dychmygwch fod gennych gatapwlt eithriadol o bwerus sy'n gallu taflu cerrig ar unwaith ar gyflymderau enfawr, yn debyg i'r rôl a chwaraeir gan bylsys laser femtosecond dwyster uchel.

Deunydd Targed Nwyol:

Dychmygwch gorff tawel o ddŵr sy'n symboleiddio'r deunydd targed nwyol, lle mae pob diferyn o ddŵr yn cynrychioli myrdd o atomau nwy. Mae'r weithred o wthio cerrig i'r corff dŵr hwn yn adlewyrchu effaith pylsau laser femtosecond dwyster uchel ar y deunydd targed nwyol yn analog.

Symudiad ac Ailgyfuniad Electron (Trawsnewidiad a Enwir yn Ffisegol):

Pan fydd pylsau laser femtosecond yn effeithio ar yr atomau nwy o fewn y deunydd targed nwyol, mae nifer sylweddol o electronau allanol yn cael eu cyffroi am eiliad i gyflwr lle maent yn datgysylltu oddi wrth eu niwclysau atomig priodol, gan ffurfio cyflwr tebyg i plasma. Wrth i egni'r system leihau wedyn (gan fod y pylsau laser yn cael eu pylsu'n gynhenid, gyda chyfnodau o roi'r gorau iddi), mae'r electronau allanol hyn yn dychwelyd i'w cyffiniau o'r niwclysau atomig, gan ryddhau ffotonau egni uchel.

Cynhyrchu Harmonig Uchel:

Dychmygwch bob tro y bydd diferyn o ddŵr yn disgyn yn ôl i wyneb y llyn, ei fod yn creu crychdonnau, yn debyg iawn i harmonigau uchel mewn laserau attosecond. Mae gan y crychdonnau hyn amleddau ac osgledau uwch na'r crychdonnau gwreiddiol a achosir gan y pwls laser femtosecond cynradd. Yn ystod y broses HHG, mae trawst laser pwerus, yn debyg i daflu cerrig yn barhaus, yn goleuo targed nwy, sy'n debyg i wyneb y llyn. Mae'r maes laser dwys hwn yn gwthio electronau yn y nwy, yn debyg i grychdonnau, i ffwrdd o'u hatomau rhiant ac yna'n eu tynnu'n ôl. Bob tro y bydd electron yn dychwelyd i'r atom, mae'n allyrru trawst laser newydd gydag amledd uwch, yn debyg i batrymau crychdonnau mwy cymhleth.

Hidlo a Ffocysu:

Mae cyfuno'r holl drawstiau laser newydd eu cynhyrchu hyn yn cynhyrchu sbectrwm o wahanol liwiau (amleddau neu donfeddi), ac mae rhai ohonynt yn ffurfio'r laser attosecond. I ynysu meintiau ac amleddau crychdonnau penodol, gallwch ddefnyddio hidlydd arbenigol, yn debyg i ddewis crychdonnau dymunol, a defnyddio chwyddwydr i'w ffocysu ar ardal benodol.

Cywasgu Pwls (os oes angen):

Os ydych chi'n anelu at ledaenu tonnau'n gyflymach ac yn fyrrach, gallwch chi gyflymu eu lledaeniad gan ddefnyddio dyfais arbenigol, gan leihau'r amser y mae pob tonnau'n para. Mae cynhyrchu laserau attosecond yn cynnwys rhyngweithio cymhleth o brosesau. Fodd bynnag, pan gaiff ei ddadansoddi a'i ddelweddu, mae'n dod yn fwy dealladwy.