2023ko urriaren 3ko arratsaldeko iragarpen garrantzitsu batean, 2023ko Fisikako Nobel Saria aurkeztu zen, atosegundoko laser teknologiaren esparruan aitzindari gisa funtsezko eginkizunak izan dituzten hiru zientzialariren ekarpen bikainak aitortuz.

"Attosegundoko laser" terminoak funtzionatzen duen denbora-eskala izugarri laburretik datorkio izena, zehazki, attosegundoen ordenan, 10^-18 segundori dagozkionak. Teknologia honen esangura sakona jabetzeko, funtsezkoa da atosegundo batek adierazten duenaren oinarrizko ulermena. Attosegundo bat denbora-unitate handiegia da, segundo baten bilioiren bat osatzen duena segundo bakar baten testuinguru zabalagoan. Hau perspektiban jartzeko, segundu bat mendi ikaragarri batekin parekatuko bagenu, attosegundo bat mendiaren oinarrian kokatutako hondar ale bakar baten antzekoa izango litzateke. Denbora tarte iheskor honetan, argiak ere nekez zeharkatu dezake atomo indibidual baten tamainaren baliokide den distantzia bat. Atosegundoko laserrak erabiltzearen bidez, zientzialariek egitura atomikoen barruan elektroien dinamika korapilatsuak aztertzeko eta manipulatzeko aurrekaririk gabeko gaitasuna lortzen dute, fotogramaz fotograma motela erreproduzitzeko sekuentzia zinematografiko batean, eta, horrela, haien elkarrekintzan sakonduz.

Atosegundoko laserrakIkerketa zabalaren eta zientzialarien ahalegin bateratuen amaiera adierazten dute, optika ez-linealaren printzipioak aprobetxatu dituzten laser ultraazkarrak egiteko. Haien etorrerak talaia berritzaile bat eskaini digu material solidoetako atomo, molekulen eta baita elektroien barruan gertatzen diren prozesu dinamikoen behaketa eta esploraziorako.

Attosegundoko laserren izaera argitzeko eta ohiko laserrekin alderatuta haien ezaugarri ez-konbentzionalak baloratzeko, ezinbestekoa da haien kategorizazioa "laser familia" zabalagoaren barruan aztertzea. Uhin-luzeraren araberako sailkapenak attosegundoko laserrak X izpien frekuentzia ultramoretik leunen artean kokatzen ditu batez ere, haien uhin luzera nabarmen laburragoak adierazten ditu ohiko laserrekin alderatuta. Irteera moduei dagokienez, atosegundoko laserrak pultsudun laserren kategorian sartzen dira, pultsuen iraupen oso laburrak direla eta. Argitasuna lortzeko analogia bat egiteko, uhin etengabeko laserrak argi-izpi jarraitua igortzen duen linterna baten antzekoa dela ikus daiteke, eta pultsatuko laserrak estrobo-argi baten antza duten bitartean, argiztapen eta iluntasun aldiak azkar txandakatuz. Funtsean, attosegundoko laserek argiztapenaren eta iluntasunaren barruan jokaera pultsatua erakusten dute, baina bi egoeraren arteko trantsizioa maiztasun harrigarrian gertatzen da, attosegundoen eremura iristen da.

Potentziaren arabera sailkatzeak laserrak potentzia baxuko, potentzia ertaineko eta potentzia handiko parentesietan jartzen ditu. Attosegundoko laserek gailur potentzia handia lortzen dute beren pultsu iraupen oso laburrengatik, eta ondorioz, gailur potentzia nabarmena (P) lortzen da, denbora unitateko energiaren intentsitatea (P=W/t) gisa definitua. Nahiz eta atosegundoko laser pultsu indibidualek energia handirik (W) eduki ez izan, haien denborazko hedadura laburtua (t) potentzia gailur altua ematen die.

Aplikazio-domeinuei dagokienez, laserrak aplikazio industrialak, medikoak eta zientifikoak barne hartzen ditu. Attosegundoko laserek ikerketa zientifikoaren esparruan aurkitzen dute batez ere, bereziki eboluzionatzen ari diren fenomenoak fisikaren eta kimikaren domeinuen esplorazioan, mundu mikrokosmikoko prozesu dinamiko bizkorrei leiho bat eskainiz.

Laser bitartekoen araberako kategorizazioak gas laserrak, egoera solidoko laserrak, laser likidoak eta laser erdieroaleak bezala zedarritzen ditu. Attosegundoko laserren sorrera normalean gas laser bidezko euskarrietan oinarritzen da, efektu optiko ez-linealak aprobetxatuz ordena handiko harmonikoak sortzeko.

Laburbilduz, attosegundoko laserrak pultsu laburreko laserren klase berezia osatzen dute, pultsuen iraupen izugarri laburrengatik bereizten direnak, normalean attosegundotan neurtuta. Ondorioz, ezinbesteko tresna bihurtu dira atomoen, molekulen eta material solidoen barruko elektroien prozesu dinamiko ultraazkarrak behatzeko eta kontrolatzeko.

Attosecond Laser Sorkuntzaren Prozesu Elaboratua

Attosecond laser teknologia berrikuntza zientifikoaren abangoardian dago, eta bere belaunaldiko baldintza zorrotz zorrotzak ditu. Attosegundoko laser-sorkuntzaren korapilatsuak argitzeko, bere azpiko printzipioen azalpen zehatz batekin hasiko gara, eguneroko esperientzietatik eratorritako metafora biziak jarraituz. Dagokion fisikaren korapilatsuetan ez dakiten irakurleek ez dute etsi behar, ondorengo metaforek atosegundoko laserren oinarrizko fisika eskuragarri bihurtzea baitute helburu.

Attosegundoko laserren sorkuntza prozesua High Harmonic Generation (HHG) izenez ezagutzen den teknikan oinarritzen da batez ere. Lehenik eta behin, intentsitate handiko femtosegundoko (10^-15 segundo) laser pultsuen izpi bat estu-estu bideratzen da xede-material gaseoso batean. Azpimarratzekoa da femtosegundoko laserrak, attosegundoko laserren antzekoak, pultsu iraupen laburrak eta potentzia gailurra handia izatearen ezaugarriak partekatzen dituztela. Laser-eremu biziaren eraginez, gas-atomoen barruan dauden elektroiak une batean askatzen dira beren nukleo atomikoetatik, eta behin-behinean elektroi askeen egoera batean sartzen dira. Elektroi hauek laser-eremuari erantzuteko oszilatzen duten heinean, azkenean beren nukleo atomiko nagusietara itzultzen dira eta horiekin birkonbinatzen dira, energia handiko egoera berriak sortuz.

Prozesu horretan, elektroiak oso abiadura handian mugitzen dira, eta nukleo atomikoekin birkonbinatzean, energia gehigarria askatzen dute igorpen harmoniko handiko moduan, energia handiko fotoi gisa agertuz.

Sortu berri diren energia handiko fotoi hauen maiztasunak jatorrizko laser maiztasunaren multiplo osoak dira, ordena handiko harmonikoak deritzona osatzen dutenak, non "armonikoak" jatorrizko maiztasunaren multiplo integralak diren maiztasunak adierazten dituena. Atosegundoko laserrak lortzeko, ordena handiko harmoniko hauek iragazi eta fokatzea beharrezkoa da, harmoniko zehatzak hautatuz eta foku batean kontzentratzea. Nahi izanez gero, pultsuen konpresio-teknikek pultsuaren iraupena gehiago laburtu dezakete, pultsu ultra-laburrak attosegundoko tartean emanez. Bistan denez, atosegundoko laserrak sortzea prozesu sofistikatua eta askotarikoa da, trebetasun tekniko handia eta ekipamendu espezializatua eskatzen duena.

Prozesu korapilatsu hau desmitifikatzeko, eguneroko eszenatokietan oinarritutako paralelismo metaforiko bat eskaintzen dugu:

Intentsitate handiko femtosegundoko laser pultsuak:

Ikusi harriak abiadura izugarrian berehala jaurtitzeko gai den katapulta bikaina izatea, intentsitate handiko femtosegundoko laser pultsuek betetzen duten paperaren antzekoa.

Helburuko material gaseosoa:

Irudikatu xede-material gaseosoa sinbolizatzen duen ur-masa lasai bat, non ur tanta bakoitzak gas-atomo ugari adierazten dituen. Harriak ur-masa horretara bultzatzearen ekintzak modu analogoan islatzen du intentsitate handiko femtosegundoko laser pultsuek xede-material gaseosoan duten eragina.

Elektronien mugimendua eta birkonbinazioa (fisikoki deitutako trantsizioa):

Femtosegundoko laser-pultsuek helburu gaseosoko materialaren barruan dauden gas-atomoei eragiten dietenean, kanpoko elektroi kopuru esanguratsu bat kitzikatu egiten da une batean dagozkien nukleo atomikoetatik askatzen diren, plasma antzeko egoera bat sortuz. Sistemaren energia gerora murrizten den heinean (laser-pultsuak berez pultsuak direnez, eteteko tarteak dituztenez), kanpoko elektroi hauek nukleo atomikoen inguruetara itzultzen dira, energia handiko fotoiak askatuz.

Harmoniko handiko belaunaldia:

Imajinatu ur-tanta bat lakuaren gainazalera itzultzen den bakoitzean, uhinak sortzen dituela, atosegundoko laserretako harmoniko altuak bezala. Uhin hauek femtosegundoko laser pultsu primarioak eragindako jatorrizko uhinak baino maiztasun eta anplitude handiagoak dituzte. HHG prozesuan zehar, laser izpi indartsu batek, harriak etengabe jaurtitzearen antzekoa, gas helburu bat argitzen du, lakuaren gainazalaren antza duena. Laser eremu bizi honek gasean dauden elektroiak, uhinen antzekoak, haien atomo nagusietatik urruntzen ditu eta gero atzera botatzen ditu. Elektroi bat atomora itzultzen den bakoitzean, laser izpi berri bat igortzen du maiztasun handiagoarekin, uhin-eredu korapilatsuenen antzekoa.

Iragazkia eta fokua:

Sortu berri diren laser izpi horiek guztiak konbinatuz, hainbat koloretako espektroa lortzen da (maiztasunak edo uhin-luzerak), eta horietako batzuk atosegundoko laserra osatzen dute. Ripple-tamaina eta maiztasun zehatzak isolatzeko, iragazki espezializatu bat erabil dezakezu, nahi dituzun uhinak hautatzearen antzekoa, eta lupa bat erabili eremu zehatz batera bideratzeko.

Pultsu-konpresioa (beharrezkoa bada):

Uhinak azkarrago eta laburrago hedatzea helburu baduzu, haien hedapena bizkor dezakezu gailu espezializatu bat erabiliz, uhin bakoitzak irauten duen denbora murriztuz. Attosegundoko laserrak sortzeak prozesuen elkarreragin konplexua dakar. Hala ere, hautsi eta bistaratzen direnean, ulergarriagoa bihurtzen da.