Znajdź zawartość

Zjawiska zachodzące w czasie attosekund (trylionowe części sekundy) stanowią podstawę procesów chemicznych i biologicznych. Reakcje związane np. ze zmianami konfiguracji elektronów przebiegają niezwykle szybko. A że występują powszechnie, naukowcy chcieliby je obserwować, by poznać podstawy procesów biologicznych i chemicznych. Obecnie odnosimy umiarkowane sukcesy w obserwacji takich zjawisk. Jednak może się to zmienić dzięki pracy naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN. Obecnie możemy śledzić przebieg szybkich procesów głównie dzięki rentgenowskim laserom na swobodnych elektronach (XFEL, X-Ray Free-Electron Laser). Tymi dużymi złożonymi i kosztownymi narzędziami dysonuje zaledwie kilka laboratoriów na świecie. XFEL generują impulsy promieniowania rentgenowskiego trwające kilka femtosekund (bliiardowe części sekundy). Dwie podstawowe techniki pomiarowe stosowane przez naukowców pracujących z XFEL to spektroskopia rentgenowska i dyfrakcja rentgenowska. Jednak żadna z tych metod nie pozwala obserwować zjawisk krótszych niż czas trwania impulsu lasera. Dlatego też najkrótsze procesy jakie zaobserwowano na przykład w European XFEL pod Hamburgiem trwały 5 femtosekund. Kilka femtosekund to bardzo mało, ale to nadal nie jest świat attofizyki. Aby tam dotrzeć, sięgnęliśmy po chronoskopię, czyli technikę, w której analizuje się zmiany kształtu impulsów w czasie, mówi doktor Wojciech Błachucki z IFJ PAN, główny autor artykuły, który opublikowano w „Applied Sciences”. Autorzy pracy wykazali w sposób teoretyczny, że możliwe jest zmierzenie kształtu impulsu w czasie. A to oznacza, że jeśli np. mamy 20-femtosekundowy impuls i będzie w stanie odtworzyć jego strukturę czasową w 100 punktach, to uda się nam obserwować zjawiska trwające 20/100, czyli 1/5 femtosekundy. A to 200 attosekund, czy interesujący nas zakres attosekundowy. Oczywiście trzeba w tym miejscu przypomnieć, że już wcześniej udawało się uzyskiwać rozdzielczość czasową poniżej 1 femtosekundy, jednak wiązało się to z koniecznością znacznej redukcji intensywności wiązki laserowej. A to z kolei oznaczało konieczność naświetlania badanej próbki przez wiele godzin, co wykluczało dokonywanie pomiarów użytkowych. Chronoskopia rentgenowska pozbawiona jest tej wady. Jednak autorzy badań zauważają, że potrzeba jeszcze kilku lat prac, by stała się ona standardową techniką laboratoryjną. Optymizmem napawa natomiast fakt, że zaproponowana przez naukowców z PAN metoda pomiarowa nie jest ograniczona wyłącznie do laserów na swobodnych elektronach, lecz ma charakter uniwersalny. Z powodzeniem może więc być użyta także w przypadku innych źródeł generujących ultrakrótkie impulsy promieniowania rentgenowskiego, takich jak ośrodek Extreme Light Infrastructure, znajdujący się niedaleko Pragi, zapewnia doktor habilitowany Jakub Szlachetko. « powrót do artykułu

Grupa europejskich naukowców zaobserwowała ruch elektronów w molekułach. To niezwykle istotne osiągnięcie, które ułatwi obserwowanie i rozumienie reakcji chemicznych. Uczeni, pracujący pod kierunkiem profesora Marca Vrakkinga z Instytutu Maksa Borna, wykorzystali attosekundowe impulsy lasera. Dopiero to pozwoliło na przeprowadzenie niedostępnych wcześniej obserwacji. Attosekunda to 10-18 sekundy. W tym czasie światło zdąży przebyć odległość zaledwie jednej milionowej milimetra, czyli tyle, ile mierzy sobie średnica wielu molekuł. Dzięki attosekundowym impulsom światła możliwe było wykonanie "zdjęć" elektronów w molekułach. Uczeni badali molekułę wodoru, składającą się z dwóch protonów i dwóch elektronów. Laser został wykorzytany do sprawdzenia, w jaki sposób w molekule zachodzi jonizacja. Podczas tego procesu jeden elektron jest usuwany z molekuły i zmienia się stan energetyczny drugiego. Najpierw potraktowaliśmy molekułę wodoru attosekundowym impulsem lasera. To doprowadziło do usunięcia elektronu - molekuła została zjonizowana. Ponadto podzieliliśmy molekułę na dwie części za pomocą lasera podczerwonego. W ten sposób mogliśmy zbadać, jak ładunek rozkłada się pomiędzy dwoma fragmentami. Jako, że jednego elektronu brakowało, jedna z części była naładowana dodatnio, a druga była obojętna. Wiedzieliśmy, że brakujący elektron jest w części obojętnej - mówi profesor Vrakking. Od dziesiątków lat naukowcy próbowali przeprowadzić podobne obserwacje. Używano do tego celu jednak lasera femtosekundowego, którego impuls trwa 1000-krotnie dłużej niż w przypadku lasera attosekundowego. Przy tej skali można było obserwować ruch atomów i molekuł, ale nie elektronów.

Zwykle podczas tłumaczenia, dlaczego nie da się zobaczyć obiektów świata atomowego, słuchaczom przedstawiana jest zasada nieoznaczoności Heisenberga oraz porównywane są rozmiary niewielkich przedmiotów (włos, ziarno piasku), z długością fali światła, a następnie atomami i elektronami. I wszystko byłoby pięknie objaśnione, gdyby nie powstał film, na którym widać poruszający się elektron. Udostępnione niedawno nagranie pokazuje wspomnianą cząstkę w chwili uderzania w atom. Długość zapisu odpowiada przejściu pojedynczej fali światła. W kadrze widać rozkład energii elektronu. Dotychczas podejmowane próby wykonania takiego filmu dawały zbyt rozmyty obraz – ogromna prędkość "głównego bohatera" uniemożliwiała uzyskanie nieporuszonych zdjęć. Naukowcy ze szwedzkiego Lund University poszli zatem w ślady fotografów i użyli "lampy błyskowej". Za pomocą jednego lasera wyrwali elektron z orbity, aby wywołać filmowane zdarzenie. W roli flesza wykorzystali natomiast laser wytwarzający attosekundowe impulsy światła. Do niedawna fizycy i chemicy mogli o podobnym urządzeniu jedynie pomarzyć. Ponieważ dotychczas uzyskiwane impulsy attosekudowe były zbyt słabe, aby mogły dać wyraźny obraz, szczytem możliwości były eksperymenty z udziałem tysiąckrotnie wolniejszych laserów femtosekudowych (1 fs = 10-15 s, 1 as = 10-18 s, okrążenie jądra atomu przez elektron to około 150 as). Rozwiązaniem problemu okazało się wielokrotne oświetlanie tego samego momentu cyklicznie powtarzanej "sceny", niemal identycznie jak w zdjęciach stroboskopowych. Fizycy mają zamiar wykorzystać stworzoną przez siebie technikę w kolejnych eksperymentach. Uzyskane dzięki niej obrazy pozwolą potwierdzić teorie naukowe przez niemal bezpośrednią obserwację. Ponadto zdjęcia ukażą zachowanie reszty atomu w chwili pozbawiania go elektronu, np. sposobu wypełniania powstałej luki przez inne elektrony. Aby lepiej zrozumieć osiągnięcie Szwedów, warto powtórzyć za jednym z szefów zespołu badawczego, Johanem Mauritssonem: jedna attosekunda tak ma się tak do sekundy, jak sekunda do wieku Wszechświata.