Nobelova nagrada za fiziku atosekunde: Kako su elektroni postali vidljivi

Pjer Agostini, Ferenc Kraus i An L'Ulije

Ako ste se ikad malo ozbiljnije bavili fotografijom znate koliko je teško napraviti jasnu sliku objekta koji se kreće velikom brzinom. Ma koliko se trudili da, s fotoaparatom u ruci, pratite automobil, avion ili sportstu u pokretu, slika će, u najvećem broju slučajeva, biti manje ili više zamućena. Na najvećem broju fotografija, krila kolibrija koji lebdi iznad cveta praktično su nevidljiva, utopljena u pozadinu slike.

Izvor ovog problema je u samom načinu na koji fotoaparati rade. Fotografija se ne može napraviti u trenutku. Umesto toga, neophodno je da svetlost sa objekta koji snimate bar neko vreme prolazi kroz objektiv i pada na foto-osetljivi senzor kako bi u njemu generisala električne impulse koje će fotoaparat pretvoriti u sliku. Period tokom kojeg aparat sakuplja svetlost kako bi generisao sliku zove se “ekspozicija”. Iako je ekspozicija tipično veoma kratka i meri se delovima sekunde, problem je što se tokom njenog trajanja predmeti koje snimamo i dalje kreću. Zato brzi predmeti na senzoru aparata ostavljaju nejasnu, razlivenu sliku, koja se može izbeći samo skraćivanjem ekspozicije. 

U slučaju kratke ekspozicije, objekat koji snimate će tokom fotografisanja preći tako malo malo rastojanje da će, gledano kroz objektiv aparata, izgledati praktično nepomično. Ako ste i ostale parametre fotografije (kvalitet objektiva, otvor blende i osetljivost senzora) podesili na adekvatan način, slika će biti veoma oštra. Pravilo je prosto: što je predmet koji se kreće brži, to i vreme trajanja ekspozicije mora da bude kraće. Klasični fotoaparati, čak i oni skrominiji, mogu ekspoziciju da skrate na svega nekoliko hiljaditih delova sekunde, čak i manje od toga.

Kad je tako teško snimiti pokretne objekte iz naše svakodnevice, koliko je tek teško snimiti čestice na atomskom i sub-atomskom nivou koje se takođe neprekidno kreću? Kada se spustimo do osnovnih gradivnih čestica materije, videćemo atomska jezgra i oblake elektrona koji ih okružuju, u stalnom pokretu. U ovim oblacima, elektroni se kreću neuporedivo većim brzinama od onih na koje smo navikli u makroskopskom svetu (te brzine uporedive su sa brzinom svetlosti). Kako “uhvatiti” elementarne čestice poput elektrona koje su u najvećem broju fenomena ponašaju kao tačke s masom i naelektrisanjem ali bez opipljivih dimenzija?

Interes za ovo nije samo akademski. Praktično sva fizička i hemijska svojstva materijala mogu se izvesti iz kolektivnog ponašanja elektrona u elektronskim oblacima koji kao vezivna masa spajaju atome u najrazličitija hemijska jedinjenja. Hemijske reakcije, njihov intenzitet i dinamika, takođe se mogu objasniti dinamičkim ponašanjem elektrona, njihovom preraspodelom u prostoru i vremenu. Da biste shvatili mehanizam ponašanja materije na najnižem nivou, neophodno je da budete u stanju da “uhvatite” i analizirate elektrone. Oni se nalazi u osnovi svega: ne samo da bez njih ne bi bilo uređaja koje koristimo, ne bi bilo ni samog života.

Objavljivanje dobitnika za 2023. godinu

Da stvar bude još komplikovanija, elektroni nimalo ne liče na ping-pong loptice koje se kreću po pravilnim, fiksnim putanjama oko atomskih jezgara kao što se Mesec kreće oko Zemlje. Materija, na svom fundamentalnom nivou, ima kvantna svojstva tako da se, zapravo, ne može govoriti o tačnom položaju i brzini elektrona. Sve što možemo da saznamo o njemu je šansa da će se on u određenom periodu vremena naći u određenom delu prostora. Svaki elektron je praktično “rastvoren” u prostoru koji ga okružuje. 

Zamislite sada da želite da napravite sliku svega toga. Klasične fotografse tehnike tu su potpuno neprimenljive, nemoćni su čak i najjači optički ili elektronski mikroskopi. Ipak princip sa početka teksta i dalje važi: s obzirom da se elektroni kreću veoma brzo, neophodno je da trajanje posmatranja bude kratko kako bi informacije sakupljene tokom posmatranja bile dovoljno precizne. Kako god da posmatrate elektron, morate da upotrebite opremu koja će celokupno merenje moći da obavi u jednom minijaturnom deliću sekunde. 

Kao što smo naveli na početku, vreme ekspozicije brzih makroskopskih objekata meri se milisekundama, hiljaditim delovima sekunde. Milisekundama se meri i vreme koje prođe od trenutka kada kliknete mišem do trenutka kada se na ekranu vidi određeni rezultat. Podelite milisekundu na hiljadu delova i dobićete mikrosekundu. Vreme koje je potrebno elektronskim komponentama da odgovore na ulazni signal tipično se meri ovom jedinicom. U mikrosekundama se meri i trajanje bljeska fotografskog blica ili kašnjenje tokom prostiranja mrežnih signala između različitih uređaja. 

An L'Ulije sa svojim studentima

Podelite sada mikrosekundu na hiljadu delova i dobićete nanosekundu. U nanosekundama se meri vreme koje je potrebno procesoru da pročita određeni podatak iz memorije vašeg laptopa. Toliko, otprilike, traje i jedan “otkucaj srca” vašeg računara, tj. vreme potrebno mikroprocesoru da pređe iz jednog binarnog stanja u drugo. Vreme potrebno svetlosnom signalu da prođe kroz optički kabl takođe se meri nanosekundama. 

Jesmo li stigli do kraja? Ni izbliza... Zapravo, u ovoj deobi sekunde na sve sitnije delove jedva da smo stigli do polovine puta. Nobelovu nagradu za fiziku za 2023. godinu dobila je grupa naučnika koja je pomoću ultra-kratkih laserskih impulsa uspela da osmotri kretanje elektrona koje smo do juče smatrali neuhvatljivim. Trajanje ovih laserskih impulsa meri se nezamislivo kratkim atosekundama. 

Malo o brojevima: jedna nanosekunda, milijarditi deo sekunde, ima milijardu atosekundi. Prosta računica pokazuje da više ima atosekundi u jednoj sekundi, nego što u dosadašnjem trajanju kosmosa (13.7 milijardi godina) ima sekundi! U zaključku Nobelovog komiteta piše da su Pjer Agostini, Ferenc Kraus i An L'Ulije “demonstrirali način kreiranja kratkih laserskih impulsa koji se mogu iskoristiti za praćenje brzih procesa tokom kojih se elektroni kreću ili menjaju svoju energiju”. Dobili smo novu alatku pomoću koje možemo da zavirimo u svet elektrona, unutar atoma i molekula. I ne samo to, sada možemo da posmatramo čitav proces nastanka i transformacije molekula koji je do sada, zbog svoje ogromne brzine, bio praktično nedokučiv. Napredak je revolucionaran jer dosadašnje tehnike tako nešto do sada nisu omogućavale: u najboljem slučaju, položaj elektrona video se na snimku kao jedva razgovetna, nejasno definisana fleka. Elektron, koji je sve do juče imao “imidž” nevidljive čestice, sada je odjednom postao pristupačan.

Najveću zaslugu za ovo dostignuće ima An L'Ulije sa Lund Univerziteta u Švedskoj koja je, tokom višedecenijskog istraživanja, otkrila nov oblik interakcije laserske svetlosti sa atomima plemenitog gasa. Ona je primetila da se prilikom prolaska infracrvenog laserskog svetla kroz jonizovani argon u svetlosti pojavljuju tzv. “viši harmonici”, svetlosni talasi čija talasna dužina predstavlja celobrojni deo talasne dužine originalnog svetlosnog izvora. Uz odgovarajuću aparaturu, ovi harmonici mogu da se međusobno pojačavaju ili poništavaju. Ideju je razradio Pjer Agostini sa Univerziteta u Ohaju koji je pomoću njih 2001. godine uspeo da kreira laserski impuls sa trajanjem od svega 250 atosekundi. U isto vreme, sličan uspeh ponovio je i Ferenc Kraus sa instituta “Maks Plank” u Nemačkoj. On je uspeo da izoluje laserske impulse sa trajanjem od svega 650 atosekundi štio je bilo stotinama puta bolje u odnosu na najbolji prethodni rezultat iz osamdesetih godina prošlog veka. 

Ovako kratkim impulsima moguće je direktno posmatrati najbrže i najskrivenije procese u prirodi, uključujući i ponašanje samih elektrona. Razumevanje ovih procesa doneće ogroman napredak u industriji materijala. Svetlost ovako kratkog impulsa naći će svoju primenu i u industriji mikroprocesora koja odavno koristi fotolitografske postupke za “štampanje” integralnih kola na površini silicijuma. Postoji i ideja da se preciznost koju sa sobom nose ultra-kratki laserski impulsi iskoristi u medicinskoj dijagnostici, za rano detektovanje patoloških promena u tkivima na osnovu “elektronskih potpisa” karakterističnih molekula. Tehnologija brzih laserskih pulseva verovatno će naći primenu i u spektrografiji, biologiji, astronomiji... Sama An L'Ulije priznaje da je pomalo iznenađena: “Kada sam pre trideset godina počinjala da se bavim ovim stvarima, teško sam mogla da zamislim da će sve na kraju dobiti neku praktičnu primenu. Ovo još jednom pokazuje koliko je važno ulagati u fundamentalna istraživanja, bez obzira na nepostojanje neposredne koristi”. 

Čitavo dostignuće najbolje je opisao Majkl Moloni, direktor Američkog instituta za fiziku. On je uporedio atomska jezgra okružena elektronima sa kockicama šećera oko kojih lete muve: “Atosekunda je toliko kratka da izgleda kao da tokom njenog trajanja vreme stoji. Kockice šećera (atomska jezgra) se ne kreću, vidimo samo kretanje muva (elektrona) iznad njih. Svaka promena koju detektujemo potiče isključivo od kretanja elektrona. To nam drastično pojednostavljuje interpretaciju rezultata”. 

Nova tehnika, međutim, ne omogućava da se pojedinačni elektroni prate direktno i u kontinuitetu. Umesto toga, kratki laserski impulsi deluju kao stroboskopska lampa pomoću koje možemo da uhvatimo zamrznutu sliku raspodele naelektrisanih čestica u datom trenutku vremena. Kada više ovakvih impulsa pošaljemo jedan za drugim u pravilnim vremenskim razmacima, dobijamo mnoštvo slika o tome kako se naelektrisane čestice kreću između molekula i unutar samih molekula. Ovo kretanje odgovorno je za praktično sve hemijske i fizičke reakcija u prirodi i zato je njegovo suštinsko razumevanje od fundamentalnog značaja. 

Kako piše u obrazloženju Nobelovog komiteta: “Davne 1925. godine čuveni Verner Hajzenberg tvrdio je da se elektroni kriju u svetu koji nikad nećemo moći da vidimo. Zahvaljujući fizici atosekunde, ovo polako počinje da se menja”. Ovogodišnji laureati podeliće nagradu od 11 miliona švedskih kruna (milion američkih dolara). Ferenc Kraus je već saopštio da će svoj deo nagrade uplatiti u fond za podršku lokalnim zajednicima pogođenim ratom u Ukrajini. 

Ako se Nobelovom komitetu išta može zameriti, to je izostavljanje Kanađanina Pola Korkuma sa liste dobitnika. Korkum je, zajedno za Krausom i L'Ulije, prošle godine dobio prestižnu Volf nagradu za istu oblast istraživanja. On je, između ostalog, pronašao i način za precizno merenje trajanja kratkih laserskih impulsa. Na žalost, pravila Nobelovog komiteta limitiraju broj dobitnika svake godine na maksimalno tri. 

Pomenimo, na kraju, da Nobelova nagrada za fiziku sigurno nije primer rodne ravnopravnosti. Do sada je bilo 211 dobitnika a pre An L'Ulije ovu nagradu dobile su samo četiri žene: Marija Kiri (1903), Marija Gopert-Majer (1963), Dona Strikland (2018) i Andrea Gec (2020). 

 RTS "OKO"