Меньше, чем мгновение

Нобелевская премия по физике 202З года была присуждена Пьеру Агостини (университет Огайо, США), Ференцу Краусу (Институт Макса Планка, Германия) и Анн Л’Юэр (университет Лунда, Швеция) «За исследования методов генерации аттосекундных световых импульсов и электронной динамики». В чем же заключается «физика» и значимость их исследований?

Сверхкороткие световые импульсы являются уникальным инструментом для исследования и управления быстропротекающих процессов в физике, химии и биологии. Достижения в области лазерной физики и нелинейной оптики к концу ХХ века позволили получить световые импульсы длительностью порядка нескольких фемтосекунд, что соответствует всего нескольким или даже одному периодам колебаний светового поля для видимого спектрального диапазона. Такие импульсы позволили наблюдать в реальном времени динамику быстропротекающих элементарных молекулярных процессов и получить «мгновенные» снимки молекул и групп атомов на различных стадиях химических реакций (Нобелевская премия по химии (1999), А. Зевейл). Однако масштаб динамики электронов лежит в более коротком аттосекундном диапазоне (1 ас = 10-18 с). Время, которое требуется электрону для отклика на действие электромагнитной волны, является фундаментальным пределом, определяющим максимальную скорость анализа и управления динамикой вещества.

Лауреаты Нобелевской премии были пионерами, проложившими путь к развитию методов получения столь коротких импульсов. В их основе лежит нелинейно-оптическое взаимодействие фемтосекундных лазерных импульсов предельно короткой длительности (порядка одного цикла поля) с газовой средой. При высоких интенсивностях поля импульсов накачки в режиме туннельной ионизации электроны покидают атом (пионерский вклад в исследование этого процесса принадлежит советскому и российскому ученому — академику Л.В. Келдышу). Вылетевшие электроны разгоняются пондеромоторной силой лазерного импульса, улетая от атомного остова. По истечении времени равному половине периода волны электромагнитное поле меняет свой знак и начинает ускорять электроны в обратном направлении. Двигаясь в обратном направлении, электроны сталкиваются с родительским ионом, генерируя в результате нелинейного взаимодействия с ним широкополосное вторичное электромагнитное излучение в виде аттосекундного светового импульса (рис.1а). Можно сказать, что для генерации аттосекундных импульсов, способных обеспечить временное разрешение внутриатомной электронной динамики, была использована та же самая электронная динамика. Более того, доскональную характеризацию (измерение огибающей и фазы) импульсов аттосекундной длительности научились осуществлять по электронной реплике, которая также генерируется в процессе фотоионизации газовой среды (рис.1б).

а)

б)

Рис. 1. (а) Метод генерации аттосекундных импульсов, предложенный в работах П. Агостини, Ф. Крауса и А. Л’Юэр. Туннелированные электронов на пиках лазерного импульса вызывает электронные токи, приводящие к генерации одиночного либо последовательности аттосекундных импульсов, спектр которых представляет собой гармоники высоких порядков. (б) Электронная спектрограмма аттосекундного импульса

В группе фотоники и нелинейной спектроскопии МГУ имени М.В. Ломоносова (научный руководитель профессор А.М. Желтиков) более 20 лет ведутся интенсивные исследования в этом направлении. В ряде совместных работах с лауреатами Ференцом Краусом и А. Л’Юэр были исследованы различные аспекты генерации и использования аттосекундных импульсов (рис. 2).

Рис. 2. Фотографии совместных статей сотрудников группы фотоники и нелинейной спектроскопии МГУ имени М.В. Ломоносова (А.М. Желтиков, Е.Е. Серебрянников, А.А. Воронин) с с Ф. Краусом и А. Л’Юэр по тематике генерации и нелинейной оптике фемто- и аттосекундных импульсов.

В настоящее время научная группа продолжает вести исследования в данном направлении, в частности, в недавней публикации в журнале Optics Letters (2023) был предложен новый метод генерации и характеризации предельно коротких световых импульсов длительностью около 0.4 оптических периодов поля на центральной длине волны 2 мкм, пригодных для последующего использования при генерации аттосекундных импульсов и решения задач петагерцовой электроники, за счет управления электронной динамикой в полупроводниках и диэлектриках.

А.А. Воронин (н.с., каф.ОФиВП)

Е.Е. Серебрянников (н.с., каф. ОФиВП)

А.Б. Федотов (доцент, каф. ОФиВП)