جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۳ به فیزیک‌دانان سازنده لیزرهای فوق‌ سریع اتوثانیه اهدا شد

جایزه نوبل ۲۰۲۳ در شاخه‌ی فیزیک به سه فیزیک‌دانی اهدا شد که با ساخت پالس‌های اَتوثانیه‌ای نور، امکان تماشای عملکرد درونی اتم‌ها را فراهم کردند. این سه برنده عبارت‌اند از: پیر آگوستینی از دانشگاه ایالتی اوهایو آمریکا و فرنس کراوس از مؤسسه‌ی اپتیک ماکس پلانک در آلمان و آن لوئیلیه از دانشگاه لوند سوئد.

فیزیک اتوثانیه به دانشمندان امکان می‌دهد تا به کوچک‌ترین ذرات در کوتاه‌ترین مقیاس‌های زمانی نگاه کنند. گفتنی است یک اتوثانیه یک کَنتیلیونم ثانیه یا یک‌میلیاردم نانوثانیه است. برندگان نوبل فیزیک امسال همگی با ابداع آزمایش‌هایی نوین، پالس‌های لیزر فوق‌ کوتاهی را تولید کردند که می‌توانند برای کاوش جهان ما در کوچک‌ترین مقیاس‌ها به‌کار روند.

امروز سه‌شنبه، آکادمی سلطنتی علوم سوئد در استکهلم اسامی برندگان جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۳ را اعلام کرد. برندگان نوبل جایزه‌ای به‌ارزش ۱۱ میلیون کرون سوئد (یک‌میلیون دلار آمریکا) را با یکدیگر سهیم می‌شوند.

لوئیلیه در حال تدریس در کلاس بود که از‌طریق تماس تلفنی از برنده‌شدن خود مطلع شد. او در کنفرانس مطبوعاتی پس از اعلام جایزه گفت: «پشت‌سرگذاشتن نیم‌ساعت آخر تدریس برایم بسیار سخت بود. همان‌طور‌که می‌دانید، زنان زیادی وجود ندارند که این جایزه را به‌دست آورده‌اند؛ درنتیجه، اتفاقی بسیار بسیار خاص است.»

اوا اولسون، رئیس کمیته فیزیک نوبل، در بیانیه‌ی اعلام برندگان گفت: «توانایی تولید اتوثانیه‌های نور دریچه را به‌سمت مقیاس زمانی بسیار کوچک و جهان الکترون‌ها گشوده است. در سال ۱۹۲۵، ورنر هایزنبرگ استدلال کرد که امکان مشاهده‌ی این جهان وجود ندارد؛ اما به‌لطف فیزیک اتوثانیه، وضعیت شروع به تغییر کرده است.»

مارک وراکینگ، پژوهشگر در مؤسسه‌ی اپتیک غیرخطی و طیف‌سنجی پالس کوتاه ماکس پلانک در آلمان، برندگان نوبل فیزیک امسال را افراد بسیار شایسته‌ای می‌داند که هرکدام ایفاگر نقش‌های مهم در حوزه‌ی فیزیک اتوثانیه بودند. وراکینگ می‌افزاید از اینکه کمیته‌ی نوبل تصمیم گرفت صرفاً به فیزیک‌دانان تجربی جایزه بدهد، شگفت‌زده شد. او گفت: «اگر کمک‌های عظیم نظریه‌پردازان نبود، این رشته هرگز نمی‌توانست به‌شکل امروزی‌اش توسعه یابد.»

اجسامی که به‌دلیل حرکت بسیار سریع نمی‌توان از آن‌ها عکس گرفت، تصویری از نوار نور را تولید می‌کنند. نور چشمک‌زن بسیار سریع می‌تواند موجب شود که جسم منجمدشده در زمان به‌نظر آید. پالس‌های اتوثانیه‌ی نور دریچه را به‌سمت جهانی از پدیده‌ها می‌گشایند که زمانی تصور می‌شد دیدنشان غیرممکن است.

داستان علم اتوثانیه در اواخر دهه‌ی ۱۹۸۰ آغاز شد؛ زمانی‌که لوئیلیه و همکارانش در حال مطالعه‌ی آرگون یونیزه بودند. وقتی آن‌ها گاز را در‌معرض نور فروسرخ لیزر قرار دادند، فوتون‌های جدیدی در مجموعه‌ای از فرکانس‌های بالاتر تولید شد؛ بدین‌معنا که فوتون‌های منفرد ساطع‌شده با آرگون درمقایسه‌با فوتون‌های نور لیزر که آن‌ها را تحریک می‌کرد، انرژی بیشتر داشتند. تمام آن فرکانس‌ها فرازنواخت‌های نور لیزر بودند؛ مانند تکرار نتی روی پیانو، اما در اکتاوهای بالاتر.

بااین‌حال، اگر موج در فرکانس مناسب باشد، میدان‌های نوسانی سریع آن بلافاصله جهت را معکوس می‌کنند و پیش از آنکه الکترون زمان لازم برای رفتن به جایی دیگر را داشته باشند، آن را به‌سمت یون عقب می‌رانند. این الکترون اغلب انرژی بیشتری از انرژی لازم برای یونیزه‌کردن اتم دارد و سپس آن انرژی اضافی به‌صورت فوتون‌های جدید دارای فرکانس بالاتر آزاد می‌شود.

لوئیلیه با درک اینکه این فرکانس‌های بالاتر می‌تواند برای تولید پالس‌های بسیار کوتاه استفاده شوند، برنامه‌ای را برای افزایش شدت هارمونیک‌های بالاتر آغاز کرد. در سال ۲۰۰۱، تیمی به رهبری پیر آگوستینی در دانشگاه پاریس ساکلی اولین گروهی بود که توانست هارمونیک‌های بالاتر را به پالس‌هایی در مقیاس اتوثانیه تبدیل کند. از همه مهم‌تر، آگوستینی برای اولین‌بار تکنیکی را برای اندازه‌گیری مدت زمان پالس‌ها و تأیید وجود آن‌ها در وضعیت اتوثانیه ابداع کرد.

در ابتدا، پالس‌های اتوثانیه به‌دلیل توالی سریع و نزدیک‌بودن بیش‌از‌حد به یکدیگر کاربردی نبودند. پژوهشگران برای استفاده از آن‌ها به‌عنوان شناساگر فرایندهای رخ‌داده در مقیاس اتوثانیه، به پالس‌های جداشده نیاز داشتند. دستیابی به این امر مستلزم رفتن به‌سراغ پالس‌های لیزر بسیار کوتاه در حد حداکثر چند‌هزار اتوثانیه بود.

در اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰، کراوس با همکاری تیمی به رهبری مائورو نیسولی، مهندس برق در دانشگاه میلان، تکنیک‌های مورد‌نیاز را ابداع کرد. در سال ۲۰۰۱ در دانشگاه وین، کراوس در آزمایشی لیزر خود را با فرایند تولید هارمونیک بالا ترکیب کرد تا پالس‌هایی را تولید کند که فقط ۶۵۰ اتوثانیه دوام می‌آورند و برای اولین‌بار سد هزار اتوثانیه را شکست.

تکنیک‌های جدید به‌زودی نه‌تنها برای اتم‌های منفرد، بلکه برای مولکول‌ها و حتی جامدات و مایعات نیز به‌کار گرفته شدند. پالس‌های اتوثانیه می‌توانند نشان دهند که بلافاصله پس از جداشدن الکترون و یونیزه‌شدن مولکول، دقیقاً چه اتفاقی رخ می‌دهد.

درحال‌حاضر، پژوهشگران مشغول کار روی گسترش تکنیک‌ها به «اتوشیمی» هستند و قصد دارند تا از پالس‌های نور برای هدایت تشکیل و شکستن پیوندها به روش‌هایی استفاده کنند که خودبه‌خود اتفاق نمی‌افتند. به‌گفته‌ی لوئیلیه، زمان می‌برد تا به نقطه‌ای برسیم که شاهد کاربرد اتوثانیه در پزشکی و صنعت نیمه‌رسانا و شیمی باشیم.