Nobelovu cenu za fyziku získali vědci za zkoumání světa elektronů v atomech a molekulách

Letošní laureáti svými experimenty vytvořili světelné záblesky, které jsou dostatečně krátké na to, aby bylo možné pořídit snímky extrémně rychlých pohybů elektronů. Anne L'Huillierová objevila nový efekt z interakce laserového světla s atomy v plynu. Pierre Agostini a Ferenc Krausz zase prokázali, že tento efekt lze využít k vytvoření kratších světelných pulzů, než bylo možné do té doby. 

Drobný kolibřík mávne křídly až osmdesátkrát za jedinou sekundu. Pro člověka to znamená, že křídla nevidí – dokáže vnímat jen rozmazanou šmouhu a slyší k tomu jemné bzučení.

Lidské oko je díky evoluci nastavené tak, že všechny rychlé pohyby jsou pro něj rozmazané a současně vůbec nevidí extrémně malé rozměry. Člověk si proto musí pomáhat různými technologickými triky, které umožňují zachytit nebo zobrazit takové velmi krátké okamžiky –⁠ jsou to hlavně vysokorychlostní fotografie a stroboskopické osvětlení. Například ostrá fotka kolibříka v letu potřebuje expozici mnohem kratší, než je jedno mávnutí křídly – tedy méně než 1/80 sekundy.

Čím rychlejší je událost, kterou chce člověk sledovat, tím rychlejší musí být i snímek. V mikroskopickém světě jsou děje, které mohou být (lidskými slovy i smysly) nepopsatelně malé a rychlé. Letošní laureáti Nobelovy ceny za fyziku ale provedli experimenty, které vytvářejí světelné pulzy dostatečně krátké na to, aby obrazy procesů uvnitř atomů a molekul zachytily.

Uvnitř světa elektronů

Náš svět je pomalý a klidný – oproti tomu, co se děje uvnitř hmoty, která tvoří svět okolo nás i nás samotné. V molekule se totiž atomy mohou pohybovat a otáčet v miliontinách miliardtiny sekundy, takzvaných femtosekundách. Tyto pohyby jde logicky studovat jenom pomocí ještě kratších záblesků – těch vůbec nejkratších pulzů, které lze pomocí laseru vytvořit.

Když se uvnitř atomů nebo molekul pohybují elektrony, dělají to tak rychle, že změny jsou rozmazané i během femtosekundy. Ve světě elektronů se polohy a energie mění rychlostí od jedné do několika set attosekund, přičemž attosekunda je jedna miliardtina miliardtiny sekundy.

Attosekunda je tak krátká, že jejich počet za jednu sekundu je stejný jako počet sekund, které uplynuly od vzniku vesmíru před 13,8 miliardami let. Například světelnému paprsku vyslanému z jednoho konce místnosti na druhou to trvá deset miliard attosekund.

Vědci dlouho považovali femtosekundu za hranici, kdy bylo možné vytvořit světelný záblesk. Na překračování této hranice nestačily žádné vědecké triky. Aby bylo možné sledovat procesy probíhající na attosekundové úrovni, bylo zjevně zapotřebí něco úplně nového. A přesně k tomu přispěli současní laureáti.

Ještě kratší pulzy

Světlo se skládá z vln. Právě velikost této vibrace v elektrických a magnetických polích se považovala za nepřekročitelnou hranici – kratší záblesk by čistě z povahy světla nemělo být nikdy možné vytvořit. Jenže matematika, která popisuje vlny, ukazuje, že jde vytvořit jakýkoli vlnový tvar, pokud se použije dostatečný počet vln správných velikostí, vlnových délek a amplitud (vzdáleností mezi vrcholem a dnem). Trik attosekundových pulzů spočívá v tom, že dokonale vybranou kombinací více a kratších vlnových délek je možné vytvořit kratší pulzy.

Pozorování pohybů elektronů v atomárním měřítku tedy vyžaduje dostatečně krátké světelné impulsy, což znamená kombinaci krátkých vln mnoha různých vlnových délek. To se obvykle dělá pomocí laseru. Ale u této hranice to nestačí –⁠ klíčem k dosažení nejkratšího dosud prozkoumaného okamžiku je jev, který vzniká při průchodu laserového světla plynem. Světlo interaguje s jeho atomy a způsobuje vznik vln, které se dostanou na úroveň attosekund.

Roku 1987 se Anne L'Huillierové a jejím kolegům ve francouzské laboratoři podařilo vytvořit a demonstrovat tento jev pomocí infračerveného laserového paprsku, který pronikal vzácným plynem. V sérii článků L'Huillierová pokračovala ve zkoumání tohoto jevu i v devadesátých letech. Její výsledky přispěly k teoretickému pochopení tohoto jevu a položily základ dalšího experimentálního průlomu. Ten ale nastal až roku 2001.

Pierru Agostinimu a jeho výzkumné skupině se tehdy ve Francii podařilo vyrobit a prozkoumat sérii po sobě jdoucích světelných pulzů. Ty se zase řadily podobně jako vagony ve vlaku. Také se jim povedlo změřit délku těchto pulzů –⁠ každý trval pouhých 250 attosekund.

Ve stejné době pracoval Ferenc Krausz a jeho skupina v Rakousku na technice, která by mohla vybrat jediný impuls –⁠ jako když se vagon odpojí od vlaku a pošle se tak na jinou kolej. Impuls, který se jim podařilo izolovat, trval 650 attosekund a skupina ho použila ke sledování procesu, při kterém byly elektrony odtrženy od svých atomů.

Všechny tyto experimenty prokázaly, že attosekundové pulsy lze pozorovat a měřit a že je dokonce možné je využít i v nejrůznějších experimentech.

Svět je jiný

Tyto objevy změnily svět – a to doslova. Lidstvo je totiž díky nim schopné vidět do míst, kam se až doposud podívat nemohlo. Podobně jako v populární sérii filmů o Ant-Manovi tento hrdina otevřel cestu do „Říše kvant“, letošní laureáti Nobelovy ceny objevili pro člověka říši elektronů. Můžeme tak pozorovat, jaké podivné zákony tam platí, jak zvláštně se elektrony chovají – a také se pomalu učíme je využívat.

Attosekundové pulzy umožňují měřit dobu, za kterou je elektron odtržen od povrchu od atomu, a zkoumat, jak tato doba závisí na pevnosti vazby s jádrem atomu. Attosekundové pulzy lze použít k testování vnitřních procesů v látce a k identifikaci různých druhů látek a jevů. Vědci už to využili například ke zkoumání detailní fyziky atomů a molekul a mají potenciální využití v mnoha velmi praktických oblastech od elektroniky po medicínu.

Attosekundové pulzy lze například použít k postrčení molekul, které vyzařují měřitelný signál. To se dá použít například v lékařské diagnostice, kde je nutné měřit extrémně přesně drobné vzdálenosti.

Nobelovy ceny 2022 a 2023

V loňském roce ocenění dostali Francouz Alain Aspect, Američan John Clauser a Rakušan Anton Zeilinger za experimenty s provázanými fotony.  

Fotografie telefonátu vítězi letošních Nobelových cen za fyziku:

V pondělí dostali Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství maďarsko-americká biochemička Katalin Karikóová a americký imunolog Drew Weissman, kteří položili základy pro vývoj mRNA vakcín proti nemoci covid-19.

Ocenění, které je letos dotované 11 miliony švédských korun (23 milionů Kč), bude tento týden znát své laureáty ještě za chemii, za literaturu a za mír, na závěr příští týden v pondělí také za ekonomii. Ceny budou slavnostně předány 10. prosince, v den výročí úmrtí švédského vynálezce dynamitu Alfreda Nobela, na základě jehož závěti vznikly.