Кіріспе
Аттосекундтық физика, сондай-ақ аттофизика немесе жалпы аттосекундтық ғылым – физиканың жарық пен материяның өзара әрекеттесу құбылыстарын зерттейтін саласы. Бұл салада аттосекундтық (10−18 с) фотон импульстері материядағы динамикалық процестерді бұрын-соңды болмаған уақыт шешімімен қарастыру үшін қолданылады. Аттосекундтық ғылым негізінен қызығушылық тудыратын физикалық процесті зерттеу үшін сорғы-проба спектроскопиялық әдістерін пайдаланады. Зерттеудің бұл саласының күрделілігіне байланысты, көбінесе заманауи экспериментальдық орналымдар мен жетілдірілген теориялық құралдардың бірлескен жұмысы қажет. Аттосекундтық физиканың негізгі бағыттары: Атомдық физика: электрондық корреляциялық эффектілерді, фотоэмиссияның кешігуін және иондану туннельдеуін зерттеу. Молекулалық физика және молекулалық химия: молекулалық қозу күйлерінде электрондық қозғалыстың рөлі (мысалы, заряд алмасу процестері), жарықпен шақырылған фотофрагментация және жарықпен шақырылған электрондық тасымалдау процестері. Қатты дене физикасы: 2D материалдардағы экситон динамикасын, қатты денелердегі петагерцтік заряд тасымалдаушылардың қозғалысын, ферромагниттік материалдардағы спин динамикасын зерттеу. Аттосекундтық ғылымның басты мақсаты – атомдардағы, молекулалардағы және қатты денелердегі электрондардың кванттық динамикасына терең түсінік беру. Материядағы электрондық қозғалысты нақты уақыт режимінде бақылау – бұл ұзақ мерзімді міндет. Кең жолақты, қатты күйдегі титан қосылған сапфир (Ti:Sa) лазерлерінің (1986), импульстік күшейту (CPA) (1988), жоғары энергиялы импульстердің спектрлік кеңейтуі (мысалы, газ толтырылған қуыс талшық арқылы өзіндік фазалық модуляция) (1996), айналық дисперсияны басқару технологиясы (чирптелген айналар) (1994) және тасымалдаушы қабықшаны бекіту (2000) оқшау аттосекундтық жарық импульстарын жасауға мүмкіндік берді (2004, 2006), осылайша аттосекундтық ғылым пайда болды. Қазіргі кезде адам жасаған технологиямен алынған ең қысқа жарық импульсінің рекорды – 43 аттосекунд. 2022 жылы Энн Л’Хюлье, Пол Коркум және Ференц Крауш ультражылдам лазерлік ғылым мен аттосекундтық физикаға қосқан үлкен үлесі үшін физика саласындағы Вольф сыйлығымен марапатталды. 2023 жылы осыған орай, Л’Хюлье, Крауш және Пьер Агостини физика бойынша Нобель сыйлығын «материядағы электрондық динамиканы зерттеу үшін аттосекундтық жарық импульстарын жасауға арналған экспериментальдық әдістері үшін» алды.
Attosecond physics, also known as attophysics, or more generally attosecond science, is a branch of physics that deals with light matter interaction phenomena wherein attosecond (10−18 s) photon pulses are used to unravel dynamical processes in matter with unprecedented time resolution. Attosecond science mainly employs pump–probe spectroscopic methods to investigate the physical process of interest. Due to the complexity of this field of study, it generally requires a synergistic interplay between state of the art experimental setup and advanced theoretical tools to interpret the data collected from attosecond experiments. The main interests of attosecond physics are:
Atomic physics: investigation of electron correlation effects, photo emission delay and ionization tunneling. Molecular physics and molecular chemistry: role of electronic motion in molecular excited states (e. g. charge transfer processes), light induced photo fragmentation, and light induced electron transfer processes. Solid state physics: investigation of exciton dynamics in advanced 2D materials, petahertz charge carrier motion in solids, spin dynamics in ferromagnetic materials. One of the primary goals of attosecond science is to provide advanced insights into the quantum dynamics of electrons in atoms, molecules and solids with the long term challenge of achieving real time control of the electron motion in matter. The advent of broadband solid state titanium doped sapphire based (Ti:Sa) lasers (1986), chirped pulse amplification (CPA) (1988), spectral broadening of high energy pulses (e. g. gas filled hollow core fiber via self phase modulation) (1996), mirror dispersion controlled technology (chirped mirrors) (1994), and carrier envelop offset stabilization (2000) had enabled the creation of isolated attosecond light pulses (generated by the non linear process of high harmonic generation in a noble gas) (2004, 2006), which have given birth to the field of attosecond science. The current world record for the shortest light pulse generated by human technology is 43 as. In 2022, Anne L'Huillier, Paul Corkum, Ferenc Krausz were awarded with the Wolf prize in physics for their pioneering contributions to ultrafast laser science and attosecond physics. This was followed by the 2023 Nobel Prize in Physics, where L'Huillier, Krausz and Pierre Agostini were rewarded “for experimental methods that generate attosecond pulses of light for the study of electron dynamics in matter.”
Аттосекундтық импульстерді жасау
Ультрақысқа уақытқа созылған саяхатшы импульс жасау үшін екі маңызды элемент қажет: электромагниттік толқынның өткізгіштік қабаты мен орталық толқын ұзындығы. Фурье талдауынан белгілі болғандай, жарық импульсінің қол жетімді спектрлік өткізгіштік қабаты неғұрлым кең болса, оның уақыт ұзақтығы соғұрлым қысқа болуы мүмкін. Дегенмен, берілген импульстің орталық толқын ұзындығы үшін пайдаланылатын ең аз уақыт ұзақтығының шегі бар. Бұл шек – оптикалық цикл. Сондықтан, уақыт ұзақтығын қысқарту үшін қысқарақ және жоғары энергиялы толқын ұзындығын қолдану қажет, тіпті жұмсақ рентген сәулелері (SXR) аймағына дейін. Осы себепті, аттосекундтық жарық импульстарын жасаудың стандартты әдістері кең спектрлік өткізгіштік қабаты мен XUV SXR диапазонында орналасқан орталық толқын ұзындығы бар сәулелену көздеріне негізделген. Бұл талаптарға ең көп сәйкес келетін көздер – еркін электронды лазерлер (FEL) және жоғары гармониялық генерация (HHG) құрылғылары.
Импульс-күшті-иҚ өрістер-атомдардың әлсіз аттосекундтық өзара әрекеттесуі
Аттосекундтық импульстік зондтау эксперименттері қарапайым атомдармен жүргізіледі және бұл аттосекундтық импульстің уақытша ұзақтығын өлшеуге, сондай-ақ материяның бірнеше кванттық қасиеттерін зерттеуге арналған негізгі құрал болып табылады.
Техникалар
Бұл жерде аттосекундтық зерттеу орталықтарында қолданылатын ең көп таралған техникалар мен тәсілдер тізімделген және талқыланған.