Academia suedeză a acordat în acest an Premiul Nobel pentru Fizică cercetătorilor Pierre Agostini, Ferenc Krausz and Anne L’Huillier din domeniul fizicii cu pulsuri laser de durată foarte scurtă (attosecunde), pentru „metode experimentale de generare pulsuri de lumină de durata attosecundelor pentru studiul dinamicii electronilor în materie”. (Scientifc Background to the Nobel Prize in Physics 2023 – “FOR EXPERIMENTAL METHODS THAT GENERATE ATTOSECOND PULSES OF LIGHT FOR THE STUDY OF ELECTRON DYNAMICS IN MATTER” )
Tematica este cea pentru care a fost conceput unul din pilonii laser ELI, respectiv ELI-ALPS (Attosecond Light Pulse Source) de la Szeged (Ungaria), în vederea unor asemenea cercetări de mare actualitate și interes științific (vezi White-Book ELI-ALPS). In acest fel tematica avută în vedere la proiectarea, construcția și folosirea laserului ELI-ALPS a fost foarte bine și la timp instrumentată.
Fizica proceselor attoseconds
Procesele rapide ce se desfășoară la scală atomică sunt descrise de legile mecanicii cuantice, care au caracter nelocal, fiind supuse principiului Heisenberg de nedeterminare. Acesta, pentru asigurarea unei determinări mai precise a poziției Δx a unui electron, implică o dispersie Δp mai mare a valorilor de impuls ale acestuia. De aceea, undele electromagnetice, prin intermediul cărora se face această determinare, vor trebui să aibă caracteristici de aceeași mărime ca cele ale obiectului măsurat. Adică pentru determinarea poziției electronului va trebui să prezinte o rezoluție spațială suficient de bună, iar pentru determinarea impulsului, cere o rezoluție suficient de bună în număr de undă k = 2π/λ.
Principiul fizic ce stă la baza formării unor pulsuri scurte de lumină (unde electromagnetice) este superpoziția (interferența) unui set de unde monocromatice. Ca urmare, la intervale spațiale regulate, pe unele porțiuni acestea se compun constructiv, iar pe alte porțiuni destructiv (vezi Figura 1).
Analiza Fourier arată, cu cât lărgimea spectrului benzii de frecvențe Δω a undelor componente este mai mare, cu atât durata Δt a pulsului rezultat este mai mică. Există totuși o limită minimă posibil de atins pentru fiecare valoare centrală de frecvență, astfel încât Δω Δt >= 1/2, relație similară cu cea de nedeterminare Heisenberg ΔE Δt >= ℏ/2.
Anne L’Huillier și colaboratorii [J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 21 L31 (1988)] a pus la punct metoda de producere de unde luminoase UV cu lungimi de undă diferite, prin trimiterea unei lumini laser în infraroșu (λ = 1064 nm) printr-un gaz nobil. La ieșire, a obținut o multitudine de unde armonice ale luminii laser incidente (vezi Figura 2).
Figura 2. Procesul de producerea de armonice înalte (high-harmonic generation – HHG) prin împrăștierea luminii laser pe un atom de gaz nobil.
1 O undă laser incidentă pe atomul de argon. cu electronul în groapa de potențial de legătură atomică.
2 Câmpul electric de lumină laser distorsonează potențialul atomic și transferă o energie cinetică electronului care iese din structura atomică.
3 Polaritatea undei laser se schimbă și aduce electronul înapoi în structura atomică.
4 Electronul cedează energia primită din exterior, cu emiterea de lumină coerentă ultravioletă cu frecvențe armonice (multipli) celei ale undei laser incidente.
Asemenea armonice sunt create deci în urma interacției luminii laser incidente cu electronii din gaz printr-o succesiune de procese, după cum urmează. Intâi, componenta electrică a undei incidente produce distorsionarea câmpului electric al nucleului atomic ce ține legați electronii în învelișul atomului. Ca urmare, electronul este scos în afara gropii de potențial de legătură atomică. In continuare, câmpul laser extern își schimbă polaritatea (oscilează cu frecvența proprie de infraroșu) și readuce electronul în groapa de potențial a câmpului nucleului. Ca urmare, energia transmisă electronului în prima parte a oscilației este emisă ca lumină extremă ultravioletă (XUV) cu o frecvență armonică a luminii laser inițiale. In acest fel, atomii de gaz emit pulsuri de lumină cu diverse frecvențe discrete, corelate, aflate într-un interval caracteristic, vezi Figura 3.
Figura 3. Spectrul intensității generării de unde armonice. Se remarcă trei intervale caracteristice.
Pasul următor era cel de măsurare a duratei pulsurilor în domeniul attosecundei. In acest scop Pierre Agostini și colaboratorii [SCIENCE, Vol 292, Issue 5522, pp.1689-1692 (2001)] au elaborat o metoda bazată pe principiul modulării în frecvență – RABBIT, prin focalizarea pulsurilor XUV și a luminii laser incidente pe o țintă de gaz rar, urmată de analiza electronilor emiși prin efect fotoelectric (fotoelectroni) din interacția luminii laser cu atomii de argon. Prin superpoziția undelor armonice obținute în urma interacției pulsurilor laser cu o țintă gazoasă de argon, pulsuri de durata femtosecundelor, a obșinut (vezi Figura 1) trenuri de pulsuri de durata scurtă (250 attosec).
Ferenc Krausz și colaboratorii au creat pulsuri singulare de 650 attosecunde. In acest scop au folosit un filtru spectral pentru a selecta armonicele relevante. Astfel, au putut obține un puls izolat de attosecunde, prin selectarea armonicelor din apropierea frecvențelor de tăiere (cutoff vezi Figura 3) folosind doar câteva cicluri de puls laser. S-a măsurat spectrul de energie cinetică al fotoelectronilor emiși de pe nivelul 4p al atomilor de krypton în urma iradierii cu fotoni de 90 eV în pulsuri laser de 750 nm, din laserul folosit simultan la generarea de pulsuri armonice.
Folosind o țintă de neon iradiată cu fotoni de 100 eV Krausz si colaboratorii [SCIENCE, Vol 328, Issue 5986, pp. 1658-1662 (2010)] au observat existența unei întârzieri între emisia de fotoelectroni din orbitalii 2p si 2s. Electronul 2p este emis cu întârziere de 21 attosec față de cel 2s. Aceasta poate fi comparată cu timpul normal de orbitare de cca 100 attosec a electronilor în neon. Intârzierea proceselor fotoelectrice este o manifestare a dinamicii colective a norului electronic din care provine electronul. Tehnica aceasta a deschis drumul spre studierea dinamicii electronilor în atomi, molecule și materie condensată.
Metoda astfel pusă la punct de studiere a proceselor de dinamica electronilor este de tip „pump-probe”, prin care cu un puls laser scurt (attosecunde) – „pump” se inițiază procesul ce se vrea studiat, iar cu alt puls laser coerent – „probe” (sonda), întârziat controlat față de primul, se face interogarea procesului în stadiul aflat la un moment dat. Prin urmărirea desfășurării acestuia în timp, controlată de întârzierea între cele doua pulsuri laser, se poate reconstrui evoluția procesului în timp.
Aikido cu mintea si corpul coordonate. Invatati cum sa va relaxati si cum sa va pastrati calmul in conditii de stress. 
Aveam si noi laserul de la Magurele? Ce am facut si ce facem cu el? Doar vorbe in rest bani cheltuiti degeaba.
Laserul ELI de la Szeged s-a construit sa foloseasca relatia de nedeterminare Heisenberg intre pozitie si impuls (numar de unda), in urmarirea coordonatei electronului in evolutie. Laserul ELI de la Magurele va folosi tot relatia Heisenberg, dar intre timp si energie, pentru determinarea producerii de materie din lumina – producere Breit-Wheeler de perechi electron – pozitron.
se testează limitele liniarității electrodinamicii tratată cuantic nerelativist/semi-clasic… de fapt vacuumul electrodinamic, care nu e gol… care e forma și dimensiunile unui foton? funcția de undă… și mai mult interpretarea Copenhaga
Nu chiar limitele linearitatii electrodinamicii, unde avem doar o superpozitie (adunare) lineara a undelor, ca in cazul interferentei luminii, cu maxime si minime de interferenta. Tratarea lineara este valabila doar in cazul in care nu au loc produceri si anihilari de particule. Adica avem de a face doar cu solutii ale ecuatiilor Maxwell, ca sistem de ecuatii diferentiale lineare, unde suma a doua solutii este tot o solutie Maxwell.
La ELI se trece dincolo de pragul de linearitate. Aici, pe langa campul Maxwell intervine si un alt camp, in cazul de fata cel Dirac (al electronilor). Aici avem de a face cu tratarea de electrodinamica cuantica (QED), unde in Lagrangian exista si termeni de interactie, care fac sistemul rezultat de ecuatii, nelinear.
înțeleg, deși nu văd să fi spus altminteri… eu l-aș fi numit câmp fermionic, în loc de Dirac… neliniar e potențialul, care conține masa și spinul bosonilor… sau, cel puțin, asta e în teorie… alta mai bună nu avem… poate niște experimente ne mai ajută
PS https://arxiv.org/pdf/2001.10196.pdf
Pare un articol foarte interesant. Eu insa nu ma pricep la interactii de camp gravific. Doar ceva mai aproape de noi https://arxiv.org/abs/2307.09315
vă mulțumesc pentru articol… ce v-am semnalat nu era pentru interacțiile cu câmp gravitațional, ci pentru mecanismele de rupere de simetrii, mai exact interacțiile foton-foton… nu citisem articolul Dvs… dacă pot să fac vreo remarcă v-o trimit direct pe adresa de email
anecdotic, când aud de Dirac la fizicieni ascut urechile… pt că două motive: Dirac a făcut mai multe chestii… una este forma sa de ecuație, dar care nu merge decât în 2-body problem, in many-body nu e mai tractabilă decât în mecanica analitică clasică (fiecare particulă cu propria time-line), plus aspectul inerent de creere și dispariție de particule… pe de altă parte a deschis pârtie pt Schwinger și Feynman pt formularea acțiunii ca integrală de cale, menținând principiul lui Lagrange… dar, Dirac a gândit mai multe, inclusiv probabilități negative în context cuantic (stări coerente)… ultima dată când l-am întrebat pe Dyson, 2019, mi-a răspuns că Dirac a gândit probabilități de [-2…2]… formalismul QFT nu trece de hole argument al lui Einstein… invariabilitate la difeomorfisme… problemele sunt conceptuale și experimentale… unele efecte experimentale pot fi explicate prin mai multe teorii, fără criteriu de departajare… e.g. vacuum permeability drifting
ok… dar, spune de ce nu iese ELI de la Măgurele, nu mai ridica mingi la fileu la toți piețarii e.g. Agora
I rest my case
doar ca referință bibliografică, re Dirac: https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rspa.1942.0023
scuze pt că v-am tutuit…
Frumos omagiu pentru Dirac
Ungaria are 14 lureati ai premiului NOBEL în mai multe domenii. România are unul singur (în medicină)
Mulțumesc, domnule Pentia!
Fizica nu mai este prioritară in munca mea, dar întotdeauna gasesc plăcere să citesc și să înțeleg noutățile științifice.
Multumesc pentru raspuns, dle Pentia. Dar avem dovada clara ca cercetarea stiintifica in Romania este execrabila ca finantare si structura. Altii fac mai mult si mai repede. In plus, nu stim sa ne pretuim elitele, atatea cate mai sunt, aruncam multa invidie si rautate.
Stimate Agora, aici este una din putinele posibilitati ce ni se ofera pentru a ridica si discuta problemele politice ale cercetarii stiintifice din Romania. Lipsa unei finantari si sustineri politice a activitatilor academice (invatamant si cercetare) este evidenta de pe Luna. Vezi evaluarile recente ale Universitatilor din Romania.
Apoi, intr-adevar aveti dreptate, altii fac mult mai repede si mai bine. Ca sa nu ne departam prea mult de ELI, tematicile posibil de abordat la noi au fost enuntate inca din 2010 (vezi ELI-NP WhiteBook https://www.eli-np.ro/whitebook.php unde la pag.7, la „Basic Science”, ca prima prioritate este trecuta: „Fundamental physics of perturbative and non-perturbative high-field QED: pair creation, high energy γ rays, birefringence of the quantum vacuum” fiind argumentata si documentata foarte solid, cu abordari si propuneri concrete de proiecte de cercetare. Au trecut 13 ani si afara de bune intentii nu exista practic nimic concret.
In acest timp, aceleasi cercetari au posibilitatea sa fie facute in strainatate (vezi proiectul LUXE de la DESY – Hamburg). Ca urmare, desi nu au laseri de aceeasi putere ca la noi, au gasit o posibilitate de compensare a acestui dezavantaj si in 2019 au lansat „Letter of Intent” https://arxiv.org/abs/1909.00860v1 ca sa obtine finantarea corespunzatoare si sa treaca la pregatirea lucrarilor. Acestea sunt deja aprobate si documentate din acest an, prin „Technical Design Report” https://arxiv.org/abs/2308.00515 in asa fel incat in 2026 sa poata sa inceapa lucrarile.
Legat de afirmatia d-voastra ca „nu stim sa ne pretuim valorile” este foarte adevarata, dar la fel de adevarat este ca nu am mai avea ce pretui. Am reusit in sfarsit sa ne anihilam reciproc, la fel ca perechile electron-pozitron ce s-ar fi putut crea din vacuum-ul cuantic.
de ce nu-i explicați preopinentului complicațiile unei reflecții de fascicul coerent de fotoni (laser) pe un fascicul relativist de electroni (oglinda)… de ce fotonii reflectați nu sunt cei incidenți… care-i treaba cu Compton scattering… când intensitatea câmpului duce polarizarea vacuumului la emisia de perechi electroni-pozitroni liberi… ca să nu ajungem la cromodinamică… mult mai complicat decât experimentul de la Szeged… sau ce înseamnă să faci unde staționare între 2 fascicule laser, care lucrează ca niște fante fine de difracție-interferență… pare să susțină că toți sunt proști, doar el, din agora, e deștept… apoi, cu conservele Dubna… mai e și partea care, normal, deranjează… de ce să fie un eperiment de succes… apreciez demersul, dar vă și înțeleg reticența de a spune mai mult
Un articol plin de substanta si (sub)intelesuri pentru o platforma generalista:
1. Premiul Nobel luat de un ungur pe un subiect interesant si pentru romani: ELI. De adaugat ca laureatul Nobel a donat premiul victimelor razboiului din Ucraina.
2. Prezentare perfect adaptata pentru un public larg, cu o pregatire si nivel de cunostinte in fizica variate, De adaugat ca este un bun standard de citare si suport stiintific pentru platforma Contributors, unde sub acoperire pedagogica alt autor prezinta teorii conspirationiste sub o poleiala ce caricaturiseaza fizica, cu un rol nefast in influentarea profanilor.
Succes asemanator fizicienilor de la Magurele!
Un excelent articol de fizică popularizată, o foarte competentă abordare a problemei ELI, axată pe ELI – Szeged, dar relevantă și pentru ELI – Măgurele, ale cărei dificultăți și șanse de reușită sunt discutate realist și onest. Felicitari sincere autorului și urări de success întregii echipe!
Culmea culmilor, unii de pe aici sunt azi mari admiratori ai ELI-NP cand doar cu 3 ani in urma nu trecea saptamana fara sa arunce cu noroi in proiect…. si in principsl in omul care a construit ELI-NP. In fine l-au aruncat peste bord pe acesta din urma, niste revolutionari de breasla si chiar ….institut. Astazi acestia se afla la butoane si …surprise/.culmea….n-au reusit sa adauge nici macar un buton la proiect de atunci….ca de realizari nici nu poate fi vorba. Cam asta e nivelul domnilor, moral si stiintific, ca tot veni vorba de vid.
50% dintre români regretă perioada lui Ceaușescu, care a construit fabrici și uzine, când cămara era plină cu de toate, că a fost cel mai bun președinte, că a construit țara și nimeni nu mai făcut nimic după el, nici nu se mai tratează cancerul și nici o lopata nu se mai transformă din fier în aur. Ole, ole ole, Ceaușescu nu mai e. Orice asemanare e pur întâmplătoare.