62 ■ Proteus 86/1, 2 • September, oktober 2023 63Iz zgodovine naravoslovja • Hallersteinovih četrt tisočletja Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe za preučevanje dinamike elektronov • Nobelove nagrade za leto 2023 li Celovčan zasukal polni krog elektroforja pekinškega Mengšana Hallersteina, vračajoč ga med Slovence. V tedanji prav tako naši habsburški Lom- bardiji Volta ni bil zadovoljen: prav iskanje drugačne poti ga je kmalu pripeljalo do izuma sodobnega elektroforja. Z njim smo končno dobili stalni vir elektrike, brez ka- terega bi si težko zamislili vaše branje teh vrstic. Slava Naš Hallerstein je kot vodilni kitajski uče- njak posegel domala v vse znanstvene véde. Ob sodobnem kitajskem tehnološkem čude- žu je prav on most za slovensko sodelovanje z nastajajočo vodilno naravoslovno velesilo. Žal se v Mengeš ni vrnil zaradi morske bolezni: med svojimi tisočerimi izumi je namreč »pozabil« patentirati – letalo. Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe za preučevanje dinamike elektronov Nobelova nagrada za fiziko za leto 2023 Mojca Vilfan, Igor Vaskivskyi Nobelova nagrada za fiziko za leto 2023 je bila podeljena trem eksperimentalnim f i- zikom za ustvarjanje izredno kratkih sun- kov svetlobe. V enakovrednih deležih so jo prejeli Pierre Agostini z Državne univerze Ohio v Združenih državah Amerike, Ferenc Krausz z Inštituta Maxa Plancka za kvan- tno optiko v Garchingu v Nemčiji in Anne L’Huillier z Univerze v Lundu na Šved- skem. Obrazložitev ob prejemu nagrade je zelo kratka: »za eksperimentalne metode, ki ustvarjajo atosekundne sunke svetlobe za preučevanje dinamike elektronov v snovi«. Pierre Agostini je francoski fizik, rojen leta 1941 v današnji Tuniziji. Doštudiral in doktoriral je na Univerzi Aix-Marseille v Franciji, po doktoratu leta 1968 pa se je zaposlil na CEA Saclay blizu Pariza, kjer je ostal vse do leta 2002. V tem času je opravil raziskave, ki so mu prinesle Nobelovo nagrado. Leta 2005 se je pridružil Državni univerzi Ohio v Združenih državah Amerike, od leta 2018 ima mesto zaslužnega profesorja. Ferenc Krausz je bil rojen leta 1962 na Madžarskem. Tam je doštudiral teoretično fiziko in elektrotehniko, doktoriral pa leta 1991 na Dunaju. Na Tehnični univerzi na Dunaju je ostal do leta 2003, ko je prevzel vodenje Inštituta Maxa Plancka za kvantno optiko v Garchingu blizu Münchna. Leto pozneje je postal tudi vodja skupine za eksperimentalno lasersko fiziko na Univerzi Ludwiga Maximilliana v Münchnu. Delo, ki je vodilo do Nobelove nagrade, je opravil na Dunaju. Anne L‘Huillier se je rodila leta 1958 v Parizu, kjer je tudi študirala teoretično fiziko in matematiko ter doktorirala leta 1986 iz eksperimentalne fizike. Po doktoratu se je zaposlila na CEA Saclay blizu Pariza, kjer je začela preučevati kratke sunke svetlobe, delo pa nadaljevala na Univerzi v Lundu na Švedskem, kamor se je preselila leta 1995. Še vedno je aktivna profesorica za atomsko fiziko na tamkajšnji univerzi. Fotografije: Wikipedia. Avguštinov brat Janez Vajkard (1706-1780) iz Bruslja sporoča bratrancu baronu Erbergu v Dol pri Ljubljana, da je Avguštin preminil. Vir: Arhiv Republike Slovenije. 64 ■ Proteus 86/1, 2 • September, oktober 2023 65Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe za preučevanje dinamike elektronov • Nobelove nagrade za leto 2023Nobelove nagrade za leto 2023 • Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe Zakaj kratki sunki svetlobe? Marsikdo od nas že ima izkušnje s fotogra- firanjem premikajočih se stvari, pa naj gre za tekajoče otroke, leteče ptice, padajoči slap ali drveči avto. Ključen pri fotografiji premikajočih se predmetov je čas zajemanja slike oziroma čas osvetlitve. Če je čas zaje- manja slike dolg, je sprememba lege pred- meta v tem času velika in nastala slika je povsem razmazana. Po drugi strani je slika, posneta z zelo kratkim osvetlitvenim časom, kljub premikanju ostra, saj se v času osvetli- tve predmet skoraj nič ne premakne. Hitreje kot se giblje predmet, krajši osvetlitveni čas je potreben za ostro sliko. Za fotografiranje hitrih dogodkov pogosto uporabimo stro- boskopski način, pri katerem premikajoči se predmet, ki je sicer v temi, osvetlimo s kratkim sunkom svetlobe. Tudi v tem pri- meru je ostrina slike povezana z dolžino osvetljevanja – krajši kot je sunek svetlobe, hitrejše dogodke lahko razločimo. Dolgo je veljalo, da so najkrajši možni sunki svetlobe, ki jih lahko ustvarimo, dolgi nekaj femtosekund, to je milijonink milijardinke sekunde. Laserji, ki oddajajo femtosekundne sunke svetlobe, omogočajo spremljanje dina- mike atomov v snovi. Za preučevanje pre- mikanja atomov med kemijskimi reakcijami in odkritje nastanka prehodnih stanj je bila že leta 1999 podeljena Nobelova nagrada za kemijo Ahmedu Zewailu, za ustvarjanje močnih femtosekundnih sunkov svetlobe pa sta Nobelovo nagrado za f iziko leta 2018 prejela Donna Strickland in Gérard Mo- urou, o čemer je poročal tudi Proteus. Ko govorimo o dinamiki atomov, govorimo o premikanju njihovih jeder, saj je prispevek jeder k skupni masi atoma daleč največji. Elektroni so več kot tisočkrat lažji od jeder, njihova dinamika pa je približno tisočkrat hitrejša. Za opazovanje dinamike elektro- nov zato femtosekundni sunki svetlobe ne zadoščajo, potrebujemo še krajše, atose- kundne sunke svetlobe. Ena atosekunda je ena tisočinka femtosekunde, torej ena mi- lijardinka milijardinke sekunde. Prvi, ki so uspeli ustvariti tako kratke sunke svetlobe, so letošnji Nobelovi nagrajenci. Višji harmoniki Svetloba je elektromagnetno valovanje, ki se širi po prostoru. Njeno barvo določa valovna dolžina valovanja, ki je približno 700 nano- metrov (milijardink metra) za rdečo svetlo- bo in približno 400 nanometrov za vijolič- no. Valovanje z daljšimi valovnimi dolžina- mi oziroma nižjimi frekvencami (infrardeče valovanje) človeku ni vidno, prav tako ne vidimo valovanja s krajšimi valovnimi dol- žinami in višjimi frekvencami (ultravijolično valovanje). Še krajše valovne dolžine in višje frekvence ima rentgenska svetloba. Svetloba je navadno sestavljena iz več va- lovanj z različnimi frekvencami, ki jih se- štejemo v skupno valovanje. Vsota je seveda odvisna od frekvenc posameznih prispev- kov, njihove amplitude in tudi faznega za- mika med posameznimi delnimi valovanji. Posebej zanimiva so valovanja, katerih fre- kvence so enake večkratnikom frekvence nekega osnovnega valovanja. Imenujemo jih višji harmoniki in jih poznamo predvsem iz glasbe, saj so višji harmoniki tisti, ki pri isti zaigrani noti dodajo barvo zvoka. Tako nam omogočijo, da ločimo isto noto, zaigrano na klavirju, f lavti ali kitari. Poglejmo primer, ko valovanje poleg osnov- nega valovanja sestavlja več višjih harmo- nikov, amplitude in faze vseh delnih valo- vanj pa naj bodo enake (slika spodaj). Vsota osnovnega valovanja in višjih harmonikov ni enakomerno valovanje, temveč se delna va- lovanja seštejejo v zaporedje močnih kratkih sunkov. Več kot je delnih valovanj v vsoti, krajši in višji so sunki v skupnem valovanju. Če torej nekako uspemo pridobiti veliko število višjih harmonikov, ki imajo pribli- žno enako fazo in frekvenco, znamo ustva- riti zelo kratke sunke svetlobe. Prvi korak v tej smeri je leta 1988 naredila Anne L’Huillier s sodelavci, ko je z infrar- dečim laserjem posvetila na atome žlahtnih plinov (argona, kriptona in ksenona). Od- krila je, da omenjeni plini, osvetljeni z zelo močnim laserskim snopom, oddajajo svetlo- bo pri večkratnikih frekvence vpadne sve- tlobe, torej višjih harmonikih. Za razliko od Fotografije vrteče se vetrnice, posnete z različnimi časi osvetlitve. Kadar je čas osvetlitve dolg v primerjavi s časom, ki ga vetrnica potrebuje za en obrat, je slika povsem razmazana (levo). Pri krajšem času osvetlitve razločimo posamezna krila (sredina), ostro sliko pa kljub hitremu vrtenju dobimo pri zelo kratkem času osvetlitve (desno). Časi osvetlitve: 1/25 sekunde, 1/60 sekunde in 1/800 sekunde. Valovanja, katerih frekvenca je večkratnik frekvence osnovnega valovanja, imenujemo višji harmoniki. Na vrhu slike je osnovno valovanje, pod njim štirje višji harmoniki z enako amplitudo in fazo, spodaj pa vsota vseh petih delnih valovanj v obliki zaporedja močnih kratkih sunkov. 64 ■ Proteus 86/1, 2 • September, oktober 2023 65Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe za preučevanje dinamike elektronov • Nobelove nagrade za leto 2023Nobelove nagrade za leto 2023 • Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe Zakaj kratki sunki svetlobe? Marsikdo od nas že ima izkušnje s fotogra- firanjem premikajočih se stvari, pa naj gre za tekajoče otroke, leteče ptice, padajoči slap ali drveči avto. Ključen pri fotografiji premikajočih se predmetov je čas zajemanja slike oziroma čas osvetlitve. Če je čas zaje- manja slike dolg, je sprememba lege pred- meta v tem času velika in nastala slika je povsem razmazana. Po drugi strani je slika, posneta z zelo kratkim osvetlitvenim časom, kljub premikanju ostra, saj se v času osvetli- tve predmet skoraj nič ne premakne. Hitreje kot se giblje predmet, krajši osvetlitveni čas je potreben za ostro sliko. Za fotografiranje hitrih dogodkov pogosto uporabimo stro- boskopski način, pri katerem premikajoči se predmet, ki je sicer v temi, osvetlimo s kratkim sunkom svetlobe. Tudi v tem pri- meru je ostrina slike povezana z dolžino osvetljevanja – krajši kot je sunek svetlobe, hitrejše dogodke lahko razločimo. Dolgo je veljalo, da so najkrajši možni sunki svetlobe, ki jih lahko ustvarimo, dolgi nekaj femtosekund, to je milijonink milijardinke sekunde. Laserji, ki oddajajo femtosekundne sunke svetlobe, omogočajo spremljanje dina- mike atomov v snovi. Za preučevanje pre- mikanja atomov med kemijskimi reakcijami in odkritje nastanka prehodnih stanj je bila že leta 1999 podeljena Nobelova nagrada za kemijo Ahmedu Zewailu, za ustvarjanje močnih femtosekundnih sunkov svetlobe pa sta Nobelovo nagrado za f iziko leta 2018 prejela Donna Strickland in Gérard Mo- urou, o čemer je poročal tudi Proteus. Ko govorimo o dinamiki atomov, govorimo o premikanju njihovih jeder, saj je prispevek jeder k skupni masi atoma daleč največji. Elektroni so več kot tisočkrat lažji od jeder, njihova dinamika pa je približno tisočkrat hitrejša. Za opazovanje dinamike elektro- nov zato femtosekundni sunki svetlobe ne zadoščajo, potrebujemo še krajše, atose- kundne sunke svetlobe. Ena atosekunda je ena tisočinka femtosekunde, torej ena mi- lijardinka milijardinke sekunde. Prvi, ki so uspeli ustvariti tako kratke sunke svetlobe, so letošnji Nobelovi nagrajenci. Višji harmoniki Svetloba je elektromagnetno valovanje, ki se širi po prostoru. Njeno barvo določa valovna dolžina valovanja, ki je približno 700 nano- metrov (milijardink metra) za rdečo svetlo- bo in približno 400 nanometrov za vijolič- no. Valovanje z daljšimi valovnimi dolžina- mi oziroma nižjimi frekvencami (infrardeče valovanje) človeku ni vidno, prav tako ne vidimo valovanja s krajšimi valovnimi dol- žinami in višjimi frekvencami (ultravijolično valovanje). Še krajše valovne dolžine in višje frekvence ima rentgenska svetloba. Svetloba je navadno sestavljena iz več va- lovanj z različnimi frekvencami, ki jih se- štejemo v skupno valovanje. Vsota je seveda odvisna od frekvenc posameznih prispev- kov, njihove amplitude in tudi faznega za- mika med posameznimi delnimi valovanji. Posebej zanimiva so valovanja, katerih fre- kvence so enake večkratnikom frekvence nekega osnovnega valovanja. Imenujemo jih višji harmoniki in jih poznamo predvsem iz glasbe, saj so višji harmoniki tisti, ki pri isti zaigrani noti dodajo barvo zvoka. Tako nam omogočijo, da ločimo isto noto, zaigrano na klavirju, f lavti ali kitari. Poglejmo primer, ko valovanje poleg osnov- nega valovanja sestavlja več višjih harmo- nikov, amplitude in faze vseh delnih valo- vanj pa naj bodo enake (slika spodaj). Vsota osnovnega valovanja in višjih harmonikov ni enakomerno valovanje, temveč se delna va- lovanja seštejejo v zaporedje močnih kratkih sunkov. Več kot je delnih valovanj v vsoti, krajši in višji so sunki v skupnem valovanju. Če torej nekako uspemo pridobiti veliko število višjih harmonikov, ki imajo pribli- žno enako fazo in frekvenco, znamo ustva- riti zelo kratke sunke svetlobe. Prvi korak v tej smeri je leta 1988 naredila Anne L’Huillier s sodelavci, ko je z infrar- dečim laserjem posvetila na atome žlahtnih plinov (argona, kriptona in ksenona). Od- krila je, da omenjeni plini, osvetljeni z zelo močnim laserskim snopom, oddajajo svetlo- bo pri večkratnikih frekvence vpadne sve- tlobe, torej višjih harmonikih. Za razliko od Fotografije vrteče se vetrnice, posnete z različnimi časi osvetlitve. Kadar je čas osvetlitve dolg v primerjavi s časom, ki ga vetrnica potrebuje za en obrat, je slika povsem razmazana (levo). Pri krajšem času osvetlitve razločimo posamezna krila (sredina), ostro sliko pa kljub hitremu vrtenju dobimo pri zelo kratkem času osvetlitve (desno). Časi osvetlitve: 1/25 sekunde, 1/60 sekunde in 1/800 sekunde. Valovanja, katerih frekvenca je večkratnik frekvence osnovnega valovanja, imenujemo višji harmoniki. Na vrhu slike je osnovno valovanje, pod njim štirje višji harmoniki z enako amplitudo in fazo, spodaj pa vsota vseh petih delnih valovanj v obliki zaporedja močnih kratkih sunkov. 66 ■ Proteus 86/1, 2 • September, oktober 2023 67Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe za preučevanje dinamike elektronov • Nobelove nagrade za leto 2023Nobelove nagrade za leto 2023 • Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe ostalih raziskovalcev, ki so visoke frekvence poskušali doseči z visoko osnovno frekven- co, je Anne L’Huillier uporabila infrardeči laser z razmeroma nizko osnovno frekvenco. Z nekajkrat šibkejšim vpadnim snopom je uspela vzbuditi veliko število višjih harmo- nikov – vse do 33. harmonika. Tako visoki harmonik uvrščamo v ekstremno ultravijo- lično svetlobo, saj je njegova valovna dolžina le približno 32 nanometrov. Iz simetrijskih razlogov so bili vzbujeni le lihi harmoniki. Proti pričakovanjem je bila jakost izsevanih harmonikov v širokem območju frekvenc skoraj stalna. Ključno vprašanje je bilo, za- kaj lahko z infrardečo svetlobo vzbudimo tako veliko število harmonikov s približno enako jakostjo. Skoraj pobegli elektroni Teoretični model, sprva semiklasični in le- ta 1994 tudi kvantni, je podal razlago opa- ženega pojava. Vemo, da električno polje drži negativno nabite elektrone vezane na pozitivno nabito jedro atomov. Svetloba kot elektromagnetno valovanje ob vpadu na atom to električno polje spremeni. Ka- dar je vpadna svetloba razmeroma šibka, je motnja majhna. Pri velikih jakostih vpadne svetlobe, ki jih dosežemo z močnimi laserji, pa je jakost električnega polja svetlobe pri- merljiva z jakostjo električnega polja znotraj atoma. Močno vpadno polje elektron tako pospeši, da elektron zapusti atom. Vendar je električno polje vpadne svetlobe oscilirajoče: pol periode polje elektron potiska stran od jedra in pol periode nazaj k jedru. Elektron, ki znotraj prve pol periode pobegne jedru, se znotraj druge pol periode vrne k istemu jedru. Ob ponovni vezavi mora oddati vso kinetično energijo, ki jo je pridobil od ele- ktričnega polja vpadne svetlobe. Odvečno energijo izseva v obliki višjih harmonikov vpadne svetlobe (slika spodaj). Pri tem je pomembno, koliko kinetične energije pridobi elektron med svojim »izle- tom«. Daljši kot je izlet, več energije lahko elektron pridobi in višje harmonike izseva ob povratku. Tukaj vidimo pomembnost uporabe vpadne infrardeče svetlobe: valo- vanje z nižjo frekvenco počasneje preklaplja med privlačnim in odbojnim delom periode, zato lahko elektron pobegne dlje in ob po- vratku pridobi več kinetične energije, ki jo nato izseva v obliki višjih harmonikov. Če so višji harmoniki v fazi, je skupno izsevano valovanje, ki nastane kot vsota velikega šte- vila višjih harmonikov, v obliki zelo kratkih – atosekundnih – sunkov svetlobe. Fotoni in fotoelektroni Čeprav je bilo znano in tudi s teoretičnim modelom opisano, da atomi žlahtnega pli- na, na katere posvetimo z zelo močnim infrardečim snopom svetlobe, oddajajo ato- sekundne sunke svetlobe, je ostalo odprto praktično vprašanje, kako izmeriti njihovo dolžino. Za nadaljnjo obravnavo in razlago moramo stopiti v svet kvantne fizike in spo- znati dualni opis svetlobe. V klasični sliki svetlobo obravnavamo kot elektromagnetno valovanje, kar odlično opiše pojave, kakršni so interferenca, uklon, odboj ali lom. Pri- mer pojava, ki ga valovni pristop ne more pravilno pojasniti, je fotoefekt. Fotoefekt je pojav, pri katerem vpadna svetloba iz snovi, navadno iz kovine, izbi- je elektrone. Ključni parameter, ki določa, ali svetloba izbije elektrone ali ne, je nje- na valovna dolžina. Zgolj valovanja z dovolj kratko valovno dolžino in ustrezno visoko frekvenco lahko izbijejo elektrone iz snovi. Če je valovna dolžina predolga, elektronov ne izbije še tako močna vpadna svetloba. Skrivnost izbitih elektronov, ki jih imenu- jemo tudi fotoelektroni, je torej v valovni dolžini in ne, kot bi mogoče pričakovali, v moči vpadne svetlobe. Razlago pojava je leta 1905 predlagal Al- bert Einstein in bil zato leta 1921 nagrajen z Nobelovo nagrado. Zanimivo, da za teo- rijo relativnosti, po kateri je danes najbolj znan, Nobelove nagrade ni nikoli prejel. Einstein je fotoefekt pojasnil s preprostim, a revolucionarnim dualnim modelom: svetlo- ba je elektromagnetno valovanje, hkrati pa jo lahko opišemo kot sestavljeno iz diskre- tnih paketkov energije – fotonov. Pri tem je energija posameznega fotona sorazmerna s frekvenco pripadajočega elektromagnetnega valovanja. Fotoni, ki ustrezajo rdeči svetlo- bi, tako nosijo manj energije kot fotoni vijo- lične svetlobe. Še več energije nosijo fotoni ultravijoličnega ali rentgenskega valovanja. Le kadar je energija posameznega fotona vpadne svetlobe dovolj velika in večja od ve- zavne energije elektrona v snovi, lahko foton elektron izbije iz snovi. Če je energija foto- na premajhna, elektrona ne izbije, če pa je energija fotona večja od vezavne energije, se ostala energija spremeni v kinetično energijo izbitega elektrona. Podoben pojav opazimo tudi pri elektronih, ki so izbiti iz posame- znih atomov v plinu, vendar takrat navadno govorimo o fotoionizaciji. Atosekundni sunki svetlobe Prav na fotoionizaciji temeljijo meritve dol- žine atosekundnih sunkov svetlobe. Prve take meritve je opravil Pierre Agostini s sodelavci leta 2001, pri čemer je upora- bil metodo, ki jo danes imenujemo RAB- BIT (reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions – rekonstrukcija atosekundnega utripanja z interferenco dvofotonskih prehodov). Za osnovno svetlobo je izbral infrardečo svetlo- bo, ki je iz laserja izhajala v obliki 40 fem- tosekund dolgih sunkov, in z njo posvetil na argon. Izhodna svetloba je vključevala veli- ko število višjih harmonikov, ki so se zdru- žili v zaporedje atosekundnih sunkov sve- tlobe. Nastalo zaporedje sunkov je ponovno usmeril na argon, hkrati pa je na isto mesto posvetil tudi z osnovnim infrardečim laser- jem. Z dodatnimi zrcali je lahko spreminjal časovno zakasnitev infrardeče svetlobe. Princip meritve je sledeč: ko na atome argo- na vpada močna svetloba ustrezne valovne dolžine, iz atomov izbije fotoelektrone. Pri tem je energija fotonov osnovne infrardeče svetlobe prenizka, da bi izbijala elektrone, energije fotonov visokih harmonikov pa za- doščajo za fotoionizacijo. Energijo izbitih elektronov lahko natančno merimo in iz nje določimo energijo fotonov, ki so elektrone izbili. Po pričakovanju energije fotoelektro- nov zavzemajo diskretne vrednosti – vsaka vrednost ustreza fotonom enega vpadnega harmonika. Kadar je zakasnitev med osnov- no infrardečo svetlobo in atosekundnim sunkom tako majhna, da na atom hkrati vpadajo tako fotoni infrardečega valova- nja kot tudi fotoni visokih harmonikov, pa Shema atoma in električnega potenciala v njem ter vpliv električnega polja močne vpadne svetlobe. Slika prirejena po izvirniku iz obrazložitve Nobelovega odbora za fiziko © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences. https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/fig4_fy_en_23.pdf. 66 ■ Proteus 86/1, 2 • September, oktober 2023 67Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe za preučevanje dinamike elektronov • Nobelove nagrade za leto 2023Nobelove nagrade za leto 2023 • Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe ostalih raziskovalcev, ki so visoke frekvence poskušali doseči z visoko osnovno frekven- co, je Anne L’Huillier uporabila infrardeči laser z razmeroma nizko osnovno frekvenco. Z nekajkrat šibkejšim vpadnim snopom je uspela vzbuditi veliko število višjih harmo- nikov – vse do 33. harmonika. Tako visoki harmonik uvrščamo v ekstremno ultravijo- lično svetlobo, saj je njegova valovna dolžina le približno 32 nanometrov. Iz simetrijskih razlogov so bili vzbujeni le lihi harmoniki. Proti pričakovanjem je bila jakost izsevanih harmonikov v širokem območju frekvenc skoraj stalna. Ključno vprašanje je bilo, za- kaj lahko z infrardečo svetlobo vzbudimo tako veliko število harmonikov s približno enako jakostjo. Skoraj pobegli elektroni Teoretični model, sprva semiklasični in le- ta 1994 tudi kvantni, je podal razlago opa- ženega pojava. Vemo, da električno polje drži negativno nabite elektrone vezane na pozitivno nabito jedro atomov. Svetloba kot elektromagnetno valovanje ob vpadu na atom to električno polje spremeni. Ka- dar je vpadna svetloba razmeroma šibka, je motnja majhna. Pri velikih jakostih vpadne svetlobe, ki jih dosežemo z močnimi laserji, pa je jakost električnega polja svetlobe pri- merljiva z jakostjo električnega polja znotraj atoma. Močno vpadno polje elektron tako pospeši, da elektron zapusti atom. Vendar je električno polje vpadne svetlobe oscilirajoče: pol periode polje elektron potiska stran od jedra in pol periode nazaj k jedru. Elektron, ki znotraj prve pol periode pobegne jedru, se znotraj druge pol periode vrne k istemu jedru. Ob ponovni vezavi mora oddati vso kinetično energijo, ki jo je pridobil od ele- ktričnega polja vpadne svetlobe. Odvečno energijo izseva v obliki višjih harmonikov vpadne svetlobe (slika spodaj). Pri tem je pomembno, koliko kinetične energije pridobi elektron med svojim »izle- tom«. Daljši kot je izlet, več energije lahko elektron pridobi in višje harmonike izseva ob povratku. Tukaj vidimo pomembnost uporabe vpadne infrardeče svetlobe: valo- vanje z nižjo frekvenco počasneje preklaplja med privlačnim in odbojnim delom periode, zato lahko elektron pobegne dlje in ob po- vratku pridobi več kinetične energije, ki jo nato izseva v obliki višjih harmonikov. Če so višji harmoniki v fazi, je skupno izsevano valovanje, ki nastane kot vsota velikega šte- vila višjih harmonikov, v obliki zelo kratkih – atosekundnih – sunkov svetlobe. Fotoni in fotoelektroni Čeprav je bilo znano in tudi s teoretičnim modelom opisano, da atomi žlahtnega pli- na, na katere posvetimo z zelo močnim infrardečim snopom svetlobe, oddajajo ato- sekundne sunke svetlobe, je ostalo odprto praktično vprašanje, kako izmeriti njihovo dolžino. Za nadaljnjo obravnavo in razlago moramo stopiti v svet kvantne fizike in spo- znati dualni opis svetlobe. V klasični sliki svetlobo obravnavamo kot elektromagnetno valovanje, kar odlično opiše pojave, kakršni so interferenca, uklon, odboj ali lom. Pri- mer pojava, ki ga valovni pristop ne more pravilno pojasniti, je fotoefekt. Fotoefekt je pojav, pri katerem vpadna svetloba iz snovi, navadno iz kovine, izbi- je elektrone. Ključni parameter, ki določa, ali svetloba izbije elektrone ali ne, je nje- na valovna dolžina. Zgolj valovanja z dovolj kratko valovno dolžino in ustrezno visoko frekvenco lahko izbijejo elektrone iz snovi. Če je valovna dolžina predolga, elektronov ne izbije še tako močna vpadna svetloba. Skrivnost izbitih elektronov, ki jih imenu- jemo tudi fotoelektroni, je torej v valovni dolžini in ne, kot bi mogoče pričakovali, v moči vpadne svetlobe. Razlago pojava je leta 1905 predlagal Al- bert Einstein in bil zato leta 1921 nagrajen z Nobelovo nagrado. Zanimivo, da za teo- rijo relativnosti, po kateri je danes najbolj znan, Nobelove nagrade ni nikoli prejel. Einstein je fotoefekt pojasnil s preprostim, a revolucionarnim dualnim modelom: svetlo- ba je elektromagnetno valovanje, hkrati pa jo lahko opišemo kot sestavljeno iz diskre- tnih paketkov energije – fotonov. Pri tem je energija posameznega fotona sorazmerna s frekvenco pripadajočega elektromagnetnega valovanja. Fotoni, ki ustrezajo rdeči svetlo- bi, tako nosijo manj energije kot fotoni vijo- lične svetlobe. Še več energije nosijo fotoni ultravijoličnega ali rentgenskega valovanja. Le kadar je energija posameznega fotona vpadne svetlobe dovolj velika in večja od ve- zavne energije elektrona v snovi, lahko foton elektron izbije iz snovi. Če je energija foto- na premajhna, elektrona ne izbije, če pa je energija fotona večja od vezavne energije, se ostala energija spremeni v kinetično energijo izbitega elektrona. Podoben pojav opazimo tudi pri elektronih, ki so izbiti iz posame- znih atomov v plinu, vendar takrat navadno govorimo o fotoionizaciji. Atosekundni sunki svetlobe Prav na fotoionizaciji temeljijo meritve dol- žine atosekundnih sunkov svetlobe. Prve take meritve je opravil Pierre Agostini s sodelavci leta 2001, pri čemer je upora- bil metodo, ki jo danes imenujemo RAB- BIT (reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions – rekonstrukcija atosekundnega utripanja z interferenco dvofotonskih prehodov). Za osnovno svetlobo je izbral infrardečo svetlo- bo, ki je iz laserja izhajala v obliki 40 fem- tosekund dolgih sunkov, in z njo posvetil na argon. Izhodna svetloba je vključevala veli- ko število višjih harmonikov, ki so se zdru- žili v zaporedje atosekundnih sunkov sve- tlobe. Nastalo zaporedje sunkov je ponovno usmeril na argon, hkrati pa je na isto mesto posvetil tudi z osnovnim infrardečim laser- jem. Z dodatnimi zrcali je lahko spreminjal časovno zakasnitev infrardeče svetlobe. Princip meritve je sledeč: ko na atome argo- na vpada močna svetloba ustrezne valovne dolžine, iz atomov izbije fotoelektrone. Pri tem je energija fotonov osnovne infrardeče svetlobe prenizka, da bi izbijala elektrone, energije fotonov visokih harmonikov pa za- doščajo za fotoionizacijo. Energijo izbitih elektronov lahko natančno merimo in iz nje določimo energijo fotonov, ki so elektrone izbili. Po pričakovanju energije fotoelektro- nov zavzemajo diskretne vrednosti – vsaka vrednost ustreza fotonom enega vpadnega harmonika. Kadar je zakasnitev med osnov- no infrardečo svetlobo in atosekundnim sunkom tako majhna, da na atom hkrati vpadajo tako fotoni infrardečega valova- nja kot tudi fotoni visokih harmonikov, pa Shema atoma in električnega potenciala v njem ter vpliv električnega polja močne vpadne svetlobe. Slika prirejena po izvirniku iz obrazložitve Nobelovega odbora za fiziko © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences. https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/fig4_fy_en_23.pdf. 68 ■ Proteus 86/1, 2 • September, oktober 2023 69Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe za preučevanje dinamike elektronov • Nobelove nagrade za leto 2023Nobelove nagrade za leto 2023 • Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe lahko dva fotona »združita moči« in skupaj ionizirata atom. Na detektorju tako poleg elektronov, ki so jih izbili posamezni visoki harmoniki, zaradi teh dvofotonskih pojavov opazimo tudi elektrone z vmesnimi vre- dnostmi energij. Njihova energija je enaka vsoti ali razliki energij fotona visokega har- monika in osnovne infrardeče svetlobe. Na ta način je Agostini s soavtorji pokazal, da so višji harmoniki večinoma v fazi in iz podatkov o fazi določil obliko sunkov sve- tlobe. Sunki, ki jih je izmeril, so bili dol- gi 250 atosekund, razmik med dvema za- porednima sunkoma pa je znašal približno petkrat toliko, 1,35 femtosekunde. Čeprav so bili sunki izredno kratki in jasno ločeni med seboj, je bilo njihovo ponavljanje prehi- tro in čas med njimi prekratek, da bi lahko opazovali dinamiko elektronov. Prvi, ki je uspel ustvariti posamezni atose- kundni sunek svetlobe, je bil Ferenc Krausz. Za razliko od Agostinija je višje harmoni- ke, ki so nastali ob osvetljevanju kriptona s femtosekundnimi sunki infrardeče svetlobe, dodatno filtriral in obdržal le tistega z naj- višjo energijo. Namesto gostega zaporedja sunkov je tako na vsak vpadni sunek in- frardeče svetlobe dobil en sam atosekundni sunek v ekstremni ultravijolični oziroma že mehki rentgenski svetlobi. S spreminjanjem faznega zamika med osnovnim infrardečim sunkom in višjim harmonikom je z opazo- vanjem energije izbitih fotoelektronov do- ločil dolžino teh posameznih sunkov: 650 +/- 150 atosekund. Meritve dinamike elektronov Z natančno analizo in karakterizacijo nasta- lih atosekundnih sunkov je bila omogočena njihova uporaba za raziskovalne namene. Krausz s sodelavci je kot prvi uporabil ato- sekundne sunke in opazoval časovni potek procesa fotoionizacije – izbitja elektrona iz prostega atoma. Procesa fotoionizacije in fo- toefekta sta bila do tedaj vedno obravnavana kot neskončno hitra. Izdelava atosekundnih sunkov je omogočila spremljanje fotoioniza- cije tudi na časovni lestvici (slika spodaj). Krausz je uporabil atosekundne sunke sve- tlobe za merjenje časovnih zamikov med elektroni, izbitimi iz različnih orbital ato- mov neona. Izmeril je, da je časovni za- mik med elektroni, izbitimi iz 2s-orbitale, in tistimi, ki so izbiti iz 2p-orbitale, 21 atosekund, pri čemer je 2p-elektron poča- snejši. Vendar se izmerjene vrednosti niso povsem ujemale s teoretičnimi napovedmi, ki so napovedovale približno dvakrat kraj- ši čas. Preučevanja časovnega zamika med fotoelektroni se je zato lotila tudi Anne L'Huillier. Z večjo ločljivostjo detekcije je opazovala prehode v neonu in namesto dveh zaznala tri različne procese: izbitje 2s-ele- ktronov, izbitje 2p-elektronov in prehod iz 2p- v 3p-orbitalo. Z upoštevanjem tretjega procesa je pravilno določila časovne zamike med izbitjema elektronov iz različnih orbital in dosegla ujemanje s teoretično napovedjo. Drugi primer uporabe atosekundnih sunkov je preučevanje dinamike nastanka vezi med atomi v molekulah. Molekule so sestavljene iz atomov, vez pa tvorijo elektroni, ki si jih atomi delijo. Če je do nedavnega veljalo, da je nastanek kemijske vezi takojšnji proces, je opazovanje z atosekundnimi sunki svetlobe pokazalo, da izmenjava elektronov, ki vodi do nastanka molekule, ni neskončno hitra. Začetne meritve so bile opravljene na pre- prostih molekulah, kot so N2, O2 in CO2, raziskave pa se nadaljujejo na vedno bolj zapletenih molekulah, na primer aminoki- slinah. Metoda, ki omogoča spremljanje dogajanja znotraj atomov med tvorbo molekule, je zelo podobna načinu pridobivanja atosekundnih sunkov svetlobe v žlahtnih plinih. Najprej z zelo močno lasersko svetlobo iz atoma ali molekule izbijemo elektron. V času, ko se elektron oddaljuje od atoma ali molekule, se drugi elektroni začnejo preurejati ali mole- kula preoblikovati, lahko se celo prekine vez med atomi (disociacija). Ko oscilirajoče ele- ktrično polje vpadne svetlobe potisne prosti elektron nazaj proti atomu, je lahko njegovo mesto že zasedeno ali molekula spremenjena na način, ki ne omogoča več vezave doda- tnega elektrona. Take dogodke lahko zazna- vamo in iz meritev določimo vrsto in hitrost spremembe v molekuli. Višji harmoniki za spektroskopijo Odkritje metode za ustvarjanje visokih har- monikov ni prineslo le vpogleda v najhitrej- še elektronske procese na atosekundni le- stvici, temveč odpira številne nove možnosti tudi na počasnejši, femtosekundni lestvici. Že skoraj tri desetletja sodijo femtosekundni laserji v standardno opremo optičnih labo- ratorijev. So komercialno dostopni, robustni in enostavni za uporabo. Nekateri sodobni femtosekundni laserji so že tako majhni, da jih lahko spravimo v šolsko peresnico. Njihova pomembnost se kaže v zelo širo- ki uporabnosti v raziskavah, saj omogočajo razmeroma preprosto spremljanje procesov, ki so prehitri za katero koli kamero ali ele- ktronski detektor. Z njimi lahko tako opa- zujemo gibanje elektronov v snovi in preu- čujemo njihove lastnosti. V realnem času je na primer mogoče spremljati prehode med cis in trans konfiguracijo molekul beljako- vin ali preučevati premikanje elektronov v preprostejših snoveh, kakršne so kovine in nekateri polprevodniki, in razumeti, zakaj nastopijo edinstveni pojavi, kakršna je su- perprevodnost. Z uporabo femtosekundne spektroskopije že več desetletij preučujemo trdne snovi tudi v Sloveniji, na Institutu »Jožef Stefan« v skupini prof. dr. Dragana Mihailovića. Posebej odmevno je bilo od- kritje skritih topoloških kvantnih stanj v elektronskem kristalu TaS2 v neravnovesnih razmerah, ki vodi do rekordno hitrih spo- minskih elementov. Vendar imajo femtosekundni laserji ključno pomanjkljivost: vsi delujejo v infrardečem delu spektra. Vse eksperimentalne tehnike, ki uporabljajo femtosekundne laserje, zato temeljijo na merjenju absorpcije, prepustno- sti ali odbojnosti snovi v precej ozkem spek- tralnem območju infrardeče svetlobe. To je podobno, kot bi skušali preučiti strukturo neke kompleksne snovi zgolj z opazovanjem njene barve – precej zapletena ali celo ne- mogoča naloga! Raziskovalci so dolgo iskali selektivnejšo metodo, s katero bi lahko loče- no vzbujali in preučevali različne dele snovi ter na podlagi odziva pridobili informacijo o strukturi snovi in o procesih, ki potekajo znotraj nje. Rešitev je prineslo odkritje Anne L‘Huillier, da ob vpadu infrardeče svetlobe na žlahtni plin nastanejo višji harmoniki. Z uporabo razmeroma kompaktnega femtosekundne- ga laserja tako dosežemo različna izhodna valovanja z dovolj visoko frekvenco oziroma izhodne fotone z dovolj visoko energijo za selektivne ali resonančne raziskave. Zaradi Atosekundni sunki omogočajo spremljanje časovnega procesa fotoionizacije, to je izbitja elektrona iz atoma. Meritve kažejo, da je izbitje elektrona iz 2p-orbitale za 21 atosekund počasnejše od izbitja elektrona iz 2s-orbitale. 68 ■ Proteus 86/1, 2 • September, oktober 2023 69Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe za preučevanje dinamike elektronov • Nobelove nagrade za leto 2023Nobelove nagrade za leto 2023 • Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe lahko dva fotona »združita moči« in skupaj ionizirata atom. Na detektorju tako poleg elektronov, ki so jih izbili posamezni visoki harmoniki, zaradi teh dvofotonskih pojavov opazimo tudi elektrone z vmesnimi vre- dnostmi energij. Njihova energija je enaka vsoti ali razliki energij fotona visokega har- monika in osnovne infrardeče svetlobe. Na ta način je Agostini s soavtorji pokazal, da so višji harmoniki večinoma v fazi in iz podatkov o fazi določil obliko sunkov sve- tlobe. Sunki, ki jih je izmeril, so bili dol- gi 250 atosekund, razmik med dvema za- porednima sunkoma pa je znašal približno petkrat toliko, 1,35 femtosekunde. Čeprav so bili sunki izredno kratki in jasno ločeni med seboj, je bilo njihovo ponavljanje prehi- tro in čas med njimi prekratek, da bi lahko opazovali dinamiko elektronov. Prvi, ki je uspel ustvariti posamezni atose- kundni sunek svetlobe, je bil Ferenc Krausz. Za razliko od Agostinija je višje harmoni- ke, ki so nastali ob osvetljevanju kriptona s femtosekundnimi sunki infrardeče svetlobe, dodatno filtriral in obdržal le tistega z naj- višjo energijo. Namesto gostega zaporedja sunkov je tako na vsak vpadni sunek in- frardeče svetlobe dobil en sam atosekundni sunek v ekstremni ultravijolični oziroma že mehki rentgenski svetlobi. S spreminjanjem faznega zamika med osnovnim infrardečim sunkom in višjim harmonikom je z opazo- vanjem energije izbitih fotoelektronov do- ločil dolžino teh posameznih sunkov: 650 +/- 150 atosekund. Meritve dinamike elektronov Z natančno analizo in karakterizacijo nasta- lih atosekundnih sunkov je bila omogočena njihova uporaba za raziskovalne namene. Krausz s sodelavci je kot prvi uporabil ato- sekundne sunke in opazoval časovni potek procesa fotoionizacije – izbitja elektrona iz prostega atoma. Procesa fotoionizacije in fo- toefekta sta bila do tedaj vedno obravnavana kot neskončno hitra. Izdelava atosekundnih sunkov je omogočila spremljanje fotoioniza- cije tudi na časovni lestvici (slika spodaj). Krausz je uporabil atosekundne sunke sve- tlobe za merjenje časovnih zamikov med elektroni, izbitimi iz različnih orbital ato- mov neona. Izmeril je, da je časovni za- mik med elektroni, izbitimi iz 2s-orbitale, in tistimi, ki so izbiti iz 2p-orbitale, 21 atosekund, pri čemer je 2p-elektron poča- snejši. Vendar se izmerjene vrednosti niso povsem ujemale s teoretičnimi napovedmi, ki so napovedovale približno dvakrat kraj- ši čas. Preučevanja časovnega zamika med fotoelektroni se je zato lotila tudi Anne L'Huillier. Z večjo ločljivostjo detekcije je opazovala prehode v neonu in namesto dveh zaznala tri različne procese: izbitje 2s-ele- ktronov, izbitje 2p-elektronov in prehod iz 2p- v 3p-orbitalo. Z upoštevanjem tretjega procesa je pravilno določila časovne zamike med izbitjema elektronov iz različnih orbital in dosegla ujemanje s teoretično napovedjo. Drugi primer uporabe atosekundnih sunkov je preučevanje dinamike nastanka vezi med atomi v molekulah. Molekule so sestavljene iz atomov, vez pa tvorijo elektroni, ki si jih atomi delijo. Če je do nedavnega veljalo, da je nastanek kemijske vezi takojšnji proces, je opazovanje z atosekundnimi sunki svetlobe pokazalo, da izmenjava elektronov, ki vodi do nastanka molekule, ni neskončno hitra. Začetne meritve so bile opravljene na pre- prostih molekulah, kot so N2, O2 in CO2, raziskave pa se nadaljujejo na vedno bolj zapletenih molekulah, na primer aminoki- slinah. Metoda, ki omogoča spremljanje dogajanja znotraj atomov med tvorbo molekule, je zelo podobna načinu pridobivanja atosekundnih sunkov svetlobe v žlahtnih plinih. Najprej z zelo močno lasersko svetlobo iz atoma ali molekule izbijemo elektron. V času, ko se elektron oddaljuje od atoma ali molekule, se drugi elektroni začnejo preurejati ali mole- kula preoblikovati, lahko se celo prekine vez med atomi (disociacija). Ko oscilirajoče ele- ktrično polje vpadne svetlobe potisne prosti elektron nazaj proti atomu, je lahko njegovo mesto že zasedeno ali molekula spremenjena na način, ki ne omogoča več vezave doda- tnega elektrona. Take dogodke lahko zazna- vamo in iz meritev določimo vrsto in hitrost spremembe v molekuli. Višji harmoniki za spektroskopijo Odkritje metode za ustvarjanje visokih har- monikov ni prineslo le vpogleda v najhitrej- še elektronske procese na atosekundni le- stvici, temveč odpira številne nove možnosti tudi na počasnejši, femtosekundni lestvici. Že skoraj tri desetletja sodijo femtosekundni laserji v standardno opremo optičnih labo- ratorijev. So komercialno dostopni, robustni in enostavni za uporabo. Nekateri sodobni femtosekundni laserji so že tako majhni, da jih lahko spravimo v šolsko peresnico. Njihova pomembnost se kaže v zelo širo- ki uporabnosti v raziskavah, saj omogočajo razmeroma preprosto spremljanje procesov, ki so prehitri za katero koli kamero ali ele- ktronski detektor. Z njimi lahko tako opa- zujemo gibanje elektronov v snovi in preu- čujemo njihove lastnosti. V realnem času je na primer mogoče spremljati prehode med cis in trans konfiguracijo molekul beljako- vin ali preučevati premikanje elektronov v preprostejših snoveh, kakršne so kovine in nekateri polprevodniki, in razumeti, zakaj nastopijo edinstveni pojavi, kakršna je su- perprevodnost. Z uporabo femtosekundne spektroskopije že več desetletij preučujemo trdne snovi tudi v Sloveniji, na Institutu »Jožef Stefan« v skupini prof. dr. Dragana Mihailovića. Posebej odmevno je bilo od- kritje skritih topoloških kvantnih stanj v elektronskem kristalu TaS2 v neravnovesnih razmerah, ki vodi do rekordno hitrih spo- minskih elementov. Vendar imajo femtosekundni laserji ključno pomanjkljivost: vsi delujejo v infrardečem delu spektra. Vse eksperimentalne tehnike, ki uporabljajo femtosekundne laserje, zato temeljijo na merjenju absorpcije, prepustno- sti ali odbojnosti snovi v precej ozkem spek- tralnem območju infrardeče svetlobe. To je podobno, kot bi skušali preučiti strukturo neke kompleksne snovi zgolj z opazovanjem njene barve – precej zapletena ali celo ne- mogoča naloga! Raziskovalci so dolgo iskali selektivnejšo metodo, s katero bi lahko loče- no vzbujali in preučevali različne dele snovi ter na podlagi odziva pridobili informacijo o strukturi snovi in o procesih, ki potekajo znotraj nje. Rešitev je prineslo odkritje Anne L‘Huillier, da ob vpadu infrardeče svetlobe na žlahtni plin nastanejo višji harmoniki. Z uporabo razmeroma kompaktnega femtosekundne- ga laserja tako dosežemo različna izhodna valovanja z dovolj visoko frekvenco oziroma izhodne fotone z dovolj visoko energijo za selektivne ali resonančne raziskave. Zaradi Atosekundni sunki omogočajo spremljanje časovnega procesa fotoionizacije, to je izbitja elektrona iz atoma. Meritve kažejo, da je izbitje elektrona iz 2p-orbitale za 21 atosekund počasnejše od izbitja elektrona iz 2s-orbitale. 70 ■ Proteus 86/1, 2 • September, oktober 2023 71Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe za preučevanje dinamike elektronov • Nobelove nagrade za leto 2023Nobelove nagrade za leto 2023 • Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe potrebe po zelo močnem femtosekundnem laserskem viru svetlobe za vzbujanje žlah- tnega plina je ta metoda postala splošno uveljavljena šele v zadnjih dveh desetletjih, odkar so postali femtosekundni laserji do- stopnejši. Za razliko od ustvarjanja atosekundnih sun- kov, ki jih dosežemo s superpozicijo višjih harmonikov, za resonančno femtosekundno spektroskopijo višje harmonike med seboj ločimo s spektrometrom ali uklonsko mre- žico. Podobno kot se vidna bela svetloba na uklonski mrežici razkloni v mavrico, se po- samezni višji harmoniki razklonijo in ustva- rijo rentgensko ali ultravijolično »mavrico«. Valovanja z različnimi valovnimi dolžinami tako ne interferirajo več med seboj in iz ši- rokega spektra valovnih dolžin lahko izbe- remo tisto valovanje, ki selektivno vzbuja le določene elektrone v snovi. Opisana resonančna metoda je uporabna za razvoj številnih novih magnetnih snovi. Na Institutu »Jožef Stefan« tako preučuje- mo zlitino kobalta in platine, ki jo upora- bljamo v nekaterih spominskih trdih diskih. Zanimivo je, da je čista platina nemagne- tna, čisti kobalt pa je tudi neprimeren za sodobni magnetni spomin, saj bi moral biti posamezen spominski element (bit) bistveno večji od obstoječih. Presenetljivo ima njuna zlitina edinstvene lastnosti, s katerimi lah- ko znatno povečamo gostoto podatkov pri shranjevanju na magnetnem disku. Z reso- nančno femtosekundno spektroskopijo loče- no vzbujamo elektrone v bližini kobalta in elektrone v bližini platine ter tako raziskuje- mo, zakaj in kako vsaka od komponent pri- speva k magnetnim lastnostim zlitine. Raz- iskovalci iščemo izvor magnetnih lastnosti, mikroskopsko razlago pojava in morebitne spremembe snovi, ki bi njeno uporabnost še povečale. In kako naprej? Ustvarjanje atosekundnih sunkov in mer- jenje njihove dolžine sta bili prvi korak na področju atosekundne fizike, kmalu so mu sledili prvi primeri uporabe. Vendar je ato- sekundna fizika šele v povojih. Čeprav ne vemo, kam nas bo pot pripeljala, je že zdaj jasno, da bodo metode, ki so jih odkrili le- tošnji Nobelovi nagrajenci, pripomogle k boljšemu razumevanju sveta na subnano- metrski lestvici. Ko bomo enkrat razumeli procese na časovni lestvici dinamike elek- tronov, bomo lahko naredili naslednji korak, to je uporabili pridobljeno znanje, na primer v elektroniki za manipulacijo in nadzorova- nje gibanja elektronov v snovi ter ultrahi- trega preklapljanja med lastnostmi snovi ali v medicinski diagnostiki za prepoznavanje različnih molekul. Literatura: Ferray, M., L‘Huillier, A., Li, X. F., Lompré, L. A., Mainfray, G., Manus, C., 1988: Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases. The Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 21: L31-L35. Hentschel M., Kienberger, R., Spielmann, Ch., Reider, G. A., Milosevic, N., Brabec, T., Corkum, P., Heinzmann, U., Drescher, M., Krausz, F., 2001: Attosecond metrology. Nature, 414: 509-513. Lewenstein, M., Balcou, Ph., Ivanov, M. Yu., L‘Huillier, A., Corkum, P. B., 1994: Theory of high-harmonic generation by low-frequency laser fields. Physical Review A, 49: 2117-2132. Paul, P. M., Toma, E. S., Breger, P., Mullot, G., Augé, F., Balcou, Ph., Muller, H. G., Agostini, P., 2001: Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation. Science, 292: 1689-1692. Stojchevska, L., Vaskivskyi, I., Mertelj, T., Kušar, P., Svetin, D., Brazovskii, S., Mihailović, D., 2014: Ultrafast switching to a stable hidden quantum state in an electronic crystal. Science, 344: 177-180. Press release: The Nobel Prize in Physics 2023: https:// www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/press-release/. Shema postavitve resonančne femtosekundne spektroskopije. Snop, ki izhaja iz femtosekundnega laserskega izvora, razdelimo v dva dela. Prvi del snopa z ogledali vodimo in zberemo v komori z žlahtnim plinom, kjer nastajajo višji harmoniki. Harmonike na poti proti vzorcu dodatno filtriramo. Drugi del infrardečega laserskega snopa potuje skozi optično zakasnitveno linijo in ga zberemo na istem mestu vzorca. Z merjenjem spektra prepuščene svetlobe lahko prepoznamo procese, ki se dogajajo v vzorcu. Mojca Vilfan je raziskovalka na Institutu »Jožef Stefan« in docentka na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani. Raziskovalno se ukvarja z eksperimentalno fiziko mehke snovi s poudarkom na tekočekristalnih, mikrofluidičnih, aktivnih in biomimetičnih koloidnih sistemih. V zadnjem času preučuje obnašanje feromagnetnih nematikov. Je soavtorica dveh obširnih knjig Optika in Fotonika ter dveh osnovnošolskih učbenikov. Igor Vaskivskyi je raziskovalec na Institutu »Jožef Stefan« in Centru odličnosti Nanocenter. Ukvarja se z eksperimentalno fiziko trdne snovi, pri čemer se osredotoča na raziskave fotoinduciranih faznih prehodov v elektronsko in spinsko urejenih sistemih. Razvija nove metode za resonančno časovno ločljivo spektroskopijo. Trenutno največjo pozornost namenja preučevanju metastabilnih skritih stanj v snoveh z valovi gostote naboja in nadzorovanju ultrahitre dinamike v kompozitnih feromagnetih. osnovni infrardeči snop 70 ■ Proteus 86/1, 2 • September, oktober 2023 71Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe za preučevanje dinamike elektronov • Nobelove nagrade za leto 2023Nobelove nagrade za leto 2023 • Ustvarjanje atosekundnih sunkov svetlobe potrebe po zelo močnem femtosekundnem laserskem viru svetlobe za vzbujanje žlah- tnega plina je ta metoda postala splošno uveljavljena šele v zadnjih dveh desetletjih, odkar so postali femtosekundni laserji do- stopnejši. Za razliko od ustvarjanja atosekundnih sun- kov, ki jih dosežemo s superpozicijo višjih harmonikov, za resonančno femtosekundno spektroskopijo višje harmonike med seboj ločimo s spektrometrom ali uklonsko mre- žico. Podobno kot se vidna bela svetloba na uklonski mrežici razkloni v mavrico, se po- samezni višji harmoniki razklonijo in ustva- rijo rentgensko ali ultravijolično »mavrico«. Valovanja z različnimi valovnimi dolžinami tako ne interferirajo več med seboj in iz ši- rokega spektra valovnih dolžin lahko izbe- remo tisto valovanje, ki selektivno vzbuja le določene elektrone v snovi. Opisana resonančna metoda je uporabna za razvoj številnih novih magnetnih snovi. Na Institutu »Jožef Stefan« tako preučuje- mo zlitino kobalta in platine, ki jo upora- bljamo v nekaterih spominskih trdih diskih. Zanimivo je, da je čista platina nemagne- tna, čisti kobalt pa je tudi neprimeren za sodobni magnetni spomin, saj bi moral biti posamezen spominski element (bit) bistveno večji od obstoječih. Presenetljivo ima njuna zlitina edinstvene lastnosti, s katerimi lah- ko znatno povečamo gostoto podatkov pri shranjevanju na magnetnem disku. Z reso- nančno femtosekundno spektroskopijo loče- no vzbujamo elektrone v bližini kobalta in elektrone v bližini platine ter tako raziskuje- mo, zakaj in kako vsaka od komponent pri- speva k magnetnim lastnostim zlitine. Raz- iskovalci iščemo izvor magnetnih lastnosti, mikroskopsko razlago pojava in morebitne spremembe snovi, ki bi njeno uporabnost še povečale. In kako naprej? Ustvarjanje atosekundnih sunkov in mer- jenje njihove dolžine sta bili prvi korak na področju atosekundne fizike, kmalu so mu sledili prvi primeri uporabe. Vendar je ato- sekundna fizika šele v povojih. Čeprav ne vemo, kam nas bo pot pripeljala, je že zdaj jasno, da bodo metode, ki so jih odkrili le- tošnji Nobelovi nagrajenci, pripomogle k boljšemu razumevanju sveta na subnano- metrski lestvici. Ko bomo enkrat razumeli procese na časovni lestvici dinamike elek- tronov, bomo lahko naredili naslednji korak, to je uporabili pridobljeno znanje, na primer v elektroniki za manipulacijo in nadzorova- nje gibanja elektronov v snovi ter ultrahi- trega preklapljanja med lastnostmi snovi ali v medicinski diagnostiki za prepoznavanje različnih molekul. Literatura: Ferray, M., L‘Huillier, A., Li, X. F., Lompré, L. A., Mainfray, G., Manus, C., 1988: Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases. The Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 21: L31-L35. Hentschel M., Kienberger, R., Spielmann, Ch., Reider, G. A., Milosevic, N., Brabec, T., Corkum, P., Heinzmann, U., Drescher, M., Krausz, F., 2001: Attosecond metrology. Nature, 414: 509-513. Lewenstein, M., Balcou, Ph., Ivanov, M. Yu., L‘Huillier, A., Corkum, P. B., 1994: Theory of high-harmonic generation by low-frequency laser fields. Physical Review A, 49: 2117-2132. Paul, P. M., Toma, E. S., Breger, P., Mullot, G., Augé, F., Balcou, Ph., Muller, H. G., Agostini, P., 2001: Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation. Science, 292: 1689-1692. Stojchevska, L., Vaskivskyi, I., Mertelj, T., Kušar, P., Svetin, D., Brazovskii, S., Mihailović, D., 2014: Ultrafast switching to a stable hidden quantum state in an electronic crystal. Science, 344: 177-180. Press release: The Nobel Prize in Physics 2023: https:// www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/press-release/. Shema postavitve resonančne femtosekundne spektroskopije. Snop, ki izhaja iz femtosekundnega laserskega izvora, razdelimo v dva dela. Prvi del snopa z ogledali vodimo in zberemo v komori z žlahtnim plinom, kjer nastajajo višji harmoniki. Harmonike na poti proti vzorcu dodatno filtriramo. Drugi del infrardečega laserskega snopa potuje skozi optično zakasnitveno linijo in ga zberemo na istem mestu vzorca. Z merjenjem spektra prepuščene svetlobe lahko prepoznamo procese, ki se dogajajo v vzorcu. Mojca Vilfan je raziskovalka na Institutu »Jožef Stefan« in docentka na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani. Raziskovalno se ukvarja z eksperimentalno fiziko mehke snovi s poudarkom na tekočekristalnih, mikrofluidičnih, aktivnih in biomimetičnih koloidnih sistemih. V zadnjem času preučuje obnašanje feromagnetnih nematikov. Je soavtorica dveh obširnih knjig Optika in Fotonika ter dveh osnovnošolskih učbenikov. Igor Vaskivskyi je raziskovalec na Institutu »Jožef Stefan« in Centru odličnosti Nanocenter. Ukvarja se z eksperimentalno fiziko trdne snovi, pri čemer se osredotoča na raziskave fotoinduciranih faznih prehodov v elektronsko in spinsko urejenih sistemih. Razvija nove metode za resonančno časovno ločljivo spektroskopijo. Trenutno največjo pozornost namenja preučevanju metastabilnih skritih stanj v snoveh z valovi gostote naboja in nadzorovanju ultrahitre dinamike v kompozitnih feromagnetih. osnovni infrardeči snop