Лазерный мир

Аттосекундная физика — молодое научное направление, которое изучает создание и применение ультракоротких лазерных импульсов. Длительность таких вспышек сопоставима со временем, которое требуется для перестроения электронной структуры атома. Поэтому аттосекундные лазерные импульсы позволяют учёным наблюдать за квантовыми процессами внутри атомов, а также влиять на них. Об этом в интервью RT рассказал заведующий кафедрой теоретический физики Воронежского государственного университета Михаил Фролов. Учёный совместно с коллегой, доцентом ВГУ Александром Флегелем, выдвинул гипотезу, согласно которой аттосекундные импульсы можно применять для создания высокопроизводительной электроники нового типа. Также аттосекундные технологии способны в перспективе открыть путь к созданию соединений с уникальными химическими свойствами и к новым исследованиям в области квантовой физики.

— Каким образом физики получают настолько короткие вспышки лазера?

— Когда мощный лазерный импульс взаимодействует с атомом, например, водорода, в атоме возникает возбуждение, которое испускается в виде гармоники, или обертонов, то есть вторичного излучения на частотах, кратных изначальному излучению лазера. Возникает как бы параллельная исходной волна на другой частоте. И если объединить эти волны, то при совпадении фаз этих волн импульс усилится; если фазы объединяются в противофазе, то поле пропадает. Таким образом, имея широкий спектр таких вторичных волн, можно получить узкий и изолированный аттосекундный импульс в результате когерентного (синхронного. — RT) сложения этих обертонов. За разработку метода получения изолированных аттосекундных импульсов в 2023 году была вручена Нобелевская премия по физике.
Сегодня технология производства аттосекундных лазерных импульсов уже отработана в ряде стран, это делается в крупных лазерных центрах, где есть мощные лазеры. Сейчас перед научным сообществом стоит задача повысить мощность аттосекундных импульсов, чтобы с их помощью можно было не только детектировать изменения в электронной структуре атомов, но и влиять на неё. Сейчас получаемые аттосекундные импульсы малоинтенсивные, обладают малой мощностью. Как их усилить — ответ на этот вопрос ещё предстоит найти.

Оптическое выпрямление — эффект, который был открыт ещё на заре нелинейной оптики, раздела физики, изучающего распространение световых пучков в твёрдых телах, жидкостях и газах. Эффект оптического выпрямления заключается в том, что при взаимодействии лазерного излучения с веществом в последнем формируется постоянное электромагнитное поле, дипольный момент. Однако до сих пор эффект оптического выпрямления можно было наблюдать только в каких-то кристаллических структурах на относительно больших объектах. Мы же выдвинули научную гипотезу, согласно которой аналогичный эффект оптического выпрямления можно воспроизвести на атомарном уровне, внутри атома.
Это возможно, если воздействовать аттосекундными лазерными импульсами на атом, помещённый в интенсивное инфракрасное поле.

— Это может найти какое-то техническое применение?

— Технология создания дипольного момента в атомах может теоретически найти применение при создании электроники нового типа. Дело в том, что сейчас вся элементная база строится на полупроводниках, в основном кремнии. По сути, хранение и обработка информации в этом случае производятся за счёт перемещения электронов в кремниевой подложке. Однако эта технология подходит к пределам своих возможностей, рост производительности процессоров заметно замедлился в последние годы, ведётся поиск альтернатив кремнию.

Пока это только гипотеза. Но предположим, что в качестве такого носителя смогут выступить атомы любого вещества, которые будут с аттосекундной скоростью менять дипольный момент под воздействием лазера. В этом случае скорость вычислений, производительность компьютеров сможет возрасти сразу на порядки.

В России есть необходимые для этого мощности, оборудование?

— Да, в России есть ряд мощных лазерных установок — например, такая лаборатория есть в МГУ, действует подобный центр и в Нижнем Новгороде, Сарове. То есть технически проводить такие эксперименты в России есть на чём, оборудование имеется. Однако аттосекундные исследования пока не находятся в центре внимания отечественной экспериментальной физики. Сегодня это направление исследований больше всего востребовано в США, европейских странах и Китае. У нас же крупные лазерные центры и физики-экспериментаторы сконцентрированы на других областях науки. Российские мощные лазеры полностью задействованы в других экспериментах, каждый из них строился под свою задачу. Чтобы развивать аттосекундную физику, нужно по большому счёту открыть специальные лаборатории, которые занимались бы именно этим направлением.

Источник: https://russian.rt.com/science/article/1272367-attosekundraya-fizika-otkrytie-intervyu