Электрон в зеркале аттосекундной физики

Нобелевская премия по физике 2023 года

Наш век полон противоречий. С одной стороны, по-видимому, не оправдываются наши наивные ожидания безостановочного прогресса развития цивилизации. Легко перечислить многочисленные примеры возвратно-поступательного движения ряда государств между авторитаризмом и демократией. И даже возврат некоторых стран к феодализму (часть стран Африки, Северная Корея).

Авторитарные и тоталитарные системы ставят научно-технические достижения (телевидение, Интернет, социальные сети) на службу пропаганды, обеспечивая режимам устойчивость как диктатур обмана.

С другой стороны, нас поражают достижения естественных наук: математики, физики, химии, биологии, открывающих новые невиданные горизонты в колоссальном диапазоне от космических высот вселенной до глубин микромира.

Хотелось бы обратить внимание на достижения, за которые присуждена Нобелевская премия по физике в 2023 году. Её удостоились Пьер Агостини из Университета штата Огайо, Ференц Крауш из Института квантовой оптики имени Макса Планка и Анн Л'Юилье из Университета Пьера и Марии Кюри “за экспериментальные методы генерации аттосекундных световых импульсов для изучения движения электронов внутри атомов и молекул ”.

Но вначале – краткая историческая справка. Знакомые с предметом читатели могут пропустить её без ущерба для понимания дальнейшего изложения.

Казалось бы, что нового можно узнать обо всем известном со школьных времён атоме или электроне? Более двух тысячелетий продержались представления древнегреческого учёного Демокрита (V–IV вв. до н. э.) о неделимом атоме как мельчайшей частице материи. И лишь в самом конце XIX века были получены доказательства сложного строения атома после открытия А. Г. Столетовым фотоэффекта (1889), А. Беккерелем и М. Склодовской-Кюри радиоактивности (1896–1899), Дж. Томсоном катодных лучей (1897) и определения природы α-частиц Э. Резерфордом (1899–1900).

Э. Резерфорд на основе своих экспериментов предложил в 1911 году планетарную модель строения атома, похожую на микроскопическую солнечную систему. В ней отрицательно заряженные электроны движутся по удалённым орбитам вокруг положительно заряженного ядра в центре, так что атомы электронейтральны. “Объём” атома определяется удалённостью электронов, а практически вся масса атома заключена в ядре, так что атом является фактически “пустым”. Именно поэтому тонкие плёнки металлов проницаемы для α-частиц.

Как, должно быть, было приятно осознавать, что всё, от космоса до микромира, устроено просто и одинаково.

Но в этой бочке мёда была своя ложка дёгтя. Дело в том, что согласно электродинамике, при движении электрона по орбите он должен излучать энергию и, теряя её, в конце концов "упасть" на ядро. Такой атом был бы обречён.

Признав неприменимость классической механики для описания микромира, Нильс Бор (рис. 1) ввёл для спасения планетарной модели атома постулаты. Согласно им электрон может двигаться лишь по так называемым стационарным орбитам вокруг ядра, не поглощая и не испуская энергию. Энергетические же переходы происходят только в момент перехода электрона с одной такой разрешённой орбиты на другую (рис. 2).

Рис.1. Нильс Бор. Фотография сделана в Принстонском университете, США в 1948 году (elementy.ru)

Однако Н. Бор не мог обосновать свои постулаты. Развитием этой модели являются представления квантовой механики, сформированные М. Планком, Н. Бором, Луи де Бройлем, В. Гейзенбергом, Э. Шрёдингером. Даже А.Эйнштейн отнёсся к ним скептически, заявляя, что не верит, будто Бог играет в кости.

В основе квантовой механики лежит принцип неопределённости Гейзенберга: чем точнее измеряется одна характеристика микрочастицы, тем менее точно можно измерить любую другую. Следовательно, для электрона нельзя одновременно точно измерить его положение в пространстве и скорость. Так что невозможно определить траекторию движения электрона в атоме. Это мир утраченных траекторий.

В начале XX века были также сформулированы представления о двойственной корпускулярно-волновой природе не только фотонов света, но и всех микрочастиц, в том числе электронов. Гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма выдвинул в 1923 году французский учёный Луи де Бройль. В некоторых процессах (дифракции и интерференции) электроны проявляют волновые свойства, а в некоторых – корпускулярные (так, электрон обладает зарядом 1.6 ∙ 10^-19 Кл и массой 9.1⋅10^-28 г, то есть в 1836 раз меньше массы протона). Поэтому электрон является квазичастицей, координаты которой относительно ядра атома установить невозможно, но можно определить вероятность его нахождения в определённой области этого пространства.

С учётом сказанного можно представить, что каждый электрон образует вокруг ядра микроскопическое электронное облако отрицательного заряда определённой формы и размера. Например, единственный электрон в атоме водорода образует облако сферической формы (рис. 3). Чем плотнее электронное облако в какой-то области пространства, тем выше вероятность нахождения там электрона. Такие электронные облака получили название “орбитали”.

Рис.3. s-Орбиталь электрона атома водорода (profil.adu.by)

В многоэлектронных атомах электроны могут иметь более сложную геометрию, обозначаемую латинскими буквами s, p, d, f … (рис. 4).  Наименованиями орбиталей выбраны первые буквы качественной характеристики их спектральных линий: sharp (острый), principal (главный), diffuse (расплывчатый) и fundamental (фундаментальный).

Рис.4. Формы электронных орбиталей (ru.wikipedia.org)

При сближении атомов они могут образовывать химические связи друг с другом за счёт перекрывания частей их электронных облаков, так как при этом повышается плотность отрицательного заряда между положительно заряженными ядрами атомов. В результате атомы могут образовывать молекулы с возникновением уже молекулярных орбиталей из перекрывшихся атомных орбиталей. Молекулярные орбитали имеют более сложную форму, охватывая всю молекулу с центрами в ядрах атомов, входящих в состав молекулы.

При объяснении строения электронных облаков я предлагал студентам представить себе мысленный эксперимент: фотографировать атом водорода фантастическим фотоаппаратом со вспышкой в различные моменты времени на одну и ту же фотоплёнку. После её проявления можно будет увидеть изображение, похожее на рис. 3.

Однако здесь не учитываются некоторые проблемы. Во-первых, вспышки и экспозиция должны быть настолько короткими, чтобы фотон столкнулся с электроном до того, как последний заметно сдвинулся с места. Во-вторых, согласно квантовой механике любое воздействие на микрочастицу (в данном случае фотона на электрон) изменяет её поведение. Так что приходится оперировать вероятностями тех или иных полученных экспериментальных данных и опираться на их математико-статистическую обработку, чтобы получить ценную информацию о поведении электронов в атомах, молекулах и других материальных объектах.

Аналогом такого фантастического фотоаппарата и явились открытие и исследование нобелиатов по физике 2023 года, раскрывших дверь в мир электронов. Они сумели создать способ генерации невообразимо коротких импульсов света аттосекундных лазеров, измеряемые в аттосекундах. Аттосекунда – это 10^-18 (или 0,000000000000000001) секунды. Чтобы представить себе, настолько она коротка, отметим, что в одной секунде столько же аттосекунд, сколько примерно секунд прошло с момента возникновения нашей Вселенной 13,799 ± 0,021 миллиарда лет назад.

Такие аттосекундные импульсы можно использовать для наблюдения за движением электронов в атомах, молекулах и других материалах в режиме реального времени, для получения изображений процессов внутри таких объектов.

Уже намечаются некоторые области практического применения аттосекундных импульсов, что не так часто бывает при таких пионерских научных работах. Уже сейчас аттосекундные лазеры можно применять при изучении химических и биологических процессов, в науке о материалах, где важную роль играет динамика электронов в разных ситуациях.

Аттосекундные лазеры позволили засечь кратковременное превращение изолятора в проводник, а потом обратный переход. Например, кремний, освещённый коротким лазерным импульсом, превращается из диэлектрика в проводник. После отключения импульса происходит возврат в исходное состояние. Это можно использовать, например, в ячейках памяти компьютеров для ускорения их работы.

С помощью аттосекундных вспышек света можно перемещать электрон в нужные места молекулы. Это можно применить в электронике, где важно понимать и контролировать поведение электронов в материале, чтобы, к примеру, значительно улучшить работу солнечных батарей. Это также можно использовать в медицинской диагностике – для идентификации различных молекул при диагностике заболеваний, например, рака лёгких.

В заключение хотел бы кратко осветить научную жизнь лауреатов.

Рис. 5. Нобелевские лауреаты по физике 2023 года — Пьер Агостини, Ференц Крауш и Энн Л'Юйе (gazeta.ru)

Ladies first. Анн Л’Юилье — франко-шведский физик, профессор атомной физики Лундского университета в Швеции. Член Шведской королевской академии наук с 2004 года. Возглавляет группу аттосекундной физики. Она стала пятой женщиной, получившей Нобелевскую премию по физике после Марии Склодовской-Кюри (1903), Марии Гепперт-Майер (1963), Донны Стрикленд (2018) и Андреа Миа Гез (2020).

Пьер Агостини родился во Франции. В 1968 году ученый получил докторскую степень в Университете Экс-Марсель, работал в Центре Париж-Сакле Французской комиссии по альтернативной энергетике и атомной энергии (CEA). Затем он стал приглашенным специалистом в Университете Южной Калифорнии. С 2005 года Агостини профессор физики в Университет штата Огайо. В 2012 году его группа ученых из университетов штатов Огайо и Канзас сумела впервые запечатлеть движение атомов внутри молекулы с помощью камеры для сверхбыстрой съемки. Пьер Агостини также изобрел метод RABBITT для характеристики аттосекундных световых импульсов.

Ференц Крауш родился в Венгрии, окончил Будапештский технологический университет, где остался профессором на долгие годы. В 2003 году его назначили директором Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге (Германия). Он и его исследовательская группа первыми создали и измерили световой аттосекундный импульс, что положило начало аттосекундной физике.

Крауш является основателем благотворительной ассоциации “Science four People” (Наука для людей). Он заявил, что пожертвует денежную часть своей Нобелевской премии этой организации на помощь пострадавшим от российской агрессии украинцам.

-------------------
Размещено на сайте 13.10.2023