Введение
Физика атосекунды, также известная как атофизика или, в более широком смысле, наука об атосекунде, — это область физики, изучающая явления взаимодействия света с материей, в которой используются атосекундные (10−18 с) фотонные импульсы для исследования динамических процессов в материи с беспрецедентным временным разрешением. В науке об атосекунде в основном применяются спектроскопические методы накачки-зондирования для изучения интересующих физических процессов. В силу сложности этой области исследований, как правило, требуется синергетическое взаимодействие между современным экспериментальным оборудованием и передовыми теоретическими инструментами для интерпретации данных, полученных в атосекундных экспериментах. Основные направления исследований в физике атосекунды включают: атомную физику (исследование эффектов электронной корреляции, задержки фотоэмиссии и туннельного ионизации), молекулярную физику и молекулярную химию (роль электронного движения в молекулярных возбужденных состояниях, например, процессы переноса заряда, светоиндуцированная фотофрагментация и светоиндуцированные процессы переноса электронов), а также физику твердого тела (исследование динамики экситонов в передовых 2D-материалах, петагерцевое движение носителей заряда в твердых телах и динамику спина в ферромагнитных материалах). Одной из главных целей науки об атосекунде является получение углубленных знаний о квантовой динамике электронов в атомах, молекулах и твердых телах, с долгосрочной задачей достижения управления движением электронов в материи в реальном времени. Создание широкополосных твердотельных титан-сапфировых лазеров (Ti:Sa) (1986), усиления импульсов с помощью сжатия в частотной области (CPA) (1988), спектрального расширения импульсов высокой энергии (например, с помощью газонаполненных полых волноводов за счет самомодуляции фазы) (1996), технологии управления дисперсией зеркал (зеркал с чирпом) (1994) и стабилизации фазы несущей (2000) позволило создать изолированные атосекундные световые импульсы (генерируемые нелинейным процессом генерации высоких гармоник в благородных газах) (2004, 2006), что дало начало науке об атосекунде. В настоящее время мировой рекорд по длительности самого короткого светового импульса, созданного с помощью технологий, составляет 43 аттосекунды. В 2022 году Анн Л’Юйлье, Поль Коркюм и Ференц Крауш были удостоены премии Вольфа по физике за их новаторский вклад в ультрабыструю лазерную науку и физику атосекунды. В 2023 году Анн Л’Юйлье, Ференц Крауш и Пьер Агостини были удостоены Нобелевской премии по физике «за экспериментальные методы, генерирующие атосекундные световые импульсы для изучения динамики электронов в материи».
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.”
генерация аттсекундных импульсов
Для генерации распространяющегося импульса с ультракороткой длительностью необходимы два ключевых элемента: полоса пропускания и центральная длина волны электромагнитной волны. Согласно анализу Фурье, чем больше доступная спектральная полоса светового импульса, тем меньше, потенциально, его длительность. Однако существует нижний предел минимальной длительности, достижимой для заданной центральной длины волны импульса. Этот предел определяется оптическим циклом. Следовательно, для достижения меньшей длительности требуется использование более короткой и более энергичной длины волны, вплоть до области мягкого рентгеновского излучения (SXR). По этой причине стандартные методы создания аттосекундных световых импульсов основаны на источниках излучения с широкой спектральной полосой и центральной длиной волны, находящейся в диапазоне XUV и SXR. Наиболее распространенными источниками, удовлетворяющими этим требованиям, являются лазеры на свободных электронах (FEL) и установки генерации высоких гармоник (HHG).
Слабоаттосекундные взаимодействия импульса-сильного-инфракрасного-поля-атомов
Эксперименты с простыми атомами, использующие схему "насос-зонд" с аттосекундными импульсами, являются фундаментальным инструментом для измерения длительности аттосекундного импульса и изучения различных квантовых свойств материи.
Техника
В данном разделе перечислены и обсуждаются некоторые из наиболее распространенных методов и подходов, применяемых в центрах исследований, работающих с аттосекундными импульсами.