Пьер Агостини, Ференц Краус и Анн Л'Юйе продемонстрировали способ создания чрезвычайно коротких импульсов света, длительность которых измеряется в аттосекундах. Так называют единицу времени, равную одному квинтиллиону секунды, или 10 в –18-й степени. Чтобы понять, насколько коротка аттосекунда, представьте: в одной секунде их столько же, сколько в целом секунд прошло с момента рождения Вселенной. В аттосекундах измеряют быстрые процессы, в которых электроны движутся в атомах или меняют энергию, переходя с одного уровня на другой. Эти импульсы можно использовать для получения информации о динамике процессов внутри атомов и молекул.

«Вклад лауреатов позволил исследовать процессы, которые происходят настолько быстро, что раньше их было невозможно отследить», — говорится в сообщении Нобелевского комитета.

В 1987 году Анн Л'Юйе обнаружила, что при пропускании инфракрасного лазерного света через газ возникает множество различных обертонов частоты света. Обертон — это световая волна с заданным количеством циклов для каждого цикла лазерного луча. Они возникают, потому что лазерный свет взаимодействует с атомами газа и дает некоторым электронам дополнительную энергию, которая затем излучается в виде света.

В 2001 году Пьер Агостини создал и исследовал серию последовательных световых импульсов, каждый из которых длился всего 250 аттосекунд. В то же время Ференц Крауш работал над экспериментом другого типа, который позволял выделить одиночный световой импульс длительностью 650 аттосекунд.

С помощью инфракрасных лазеров ученые накладывали волны различной длины друг на друга и получали интерференцию. Поскольку у волн много периодов, то где-то эти волны приходят в одну точку в одинаковой фазе и усиливают друг друга, а где-то, наоборот, оказываются в противофазе и друг друга гасят. Когда много таких волн накладывается друг на друга, часть амплитуды усиливается, а часть — ослабляется. Для амплитуды, которая усиливается, можно подобрать такую длину волн, что период станет очень маленьким и будет составлять десятки-сотни аттосекунд.

Как отмечает ведущий научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Дмитрий Карловец, раньше, примерно до 90-х годов прошлого века, провести эксперименты по созданию коротких импульсов света длительностью в аттосекундах ученым было технологически непросто. Но сейчас исследователи по всему миру научились манипулировать лазерными импульсами и создавать интерференцию так, чтобы в результате получались аттосекундные импульсы.

«Премию присудили не просто за то, что физики научились создавать аттосекундные импульсы, но и за то, что эта аттосекундная область открывает революционные возможности. Например, в аттосекундном масштабе исследуют времена, за которые электрон излучается из атома и становится свободным. Благодаря этому можно будет изучать динамические процессы на уровне отдельных электронов, атомов и молекул», — рассказал Дмитрий Карловец.

Например, с помощью аттосекундных импульсов ученые смогут более детально изучать, как меняется химический состав какой-то молекулы: отследить, «перепрыгнул» электрон с одного атома на другой или нет, содержит ли вещество какие-то примеси и какие.

В перспективе исследования могут быть полезны в медицинской диагностике ― в частности, для идентификации различных молекул и исследования динамики их состава. Спектральный анализ биомаркеров можно провести с аттосекундной точностью на уровне частиц, изучая отдельные электроны в каждом отдельном атоме и молекуле. Благодаря этому потребуется меньше образцов, оборудования и электричества, а медицинские исследования смогут стать точнее.

Исследования помогут улучшить разрешения и точность электронной микроскопии. Благодаря этому ученые смогут изучать не только пространственную структуру вещества, но и его динамику, которую обычно невозможно исследовать с помощью микроскопа.

В микроэлектронике с помощью световых аттосекундных импульсов можно превращать диэлектрик в проводник, пропуская ток за очень короткое аттосекундное время. Потенциально это позволит делать диоды или различные устройства электроники на одиночных электронах для любых гаджетов.