Игорь Лалаянц
Изучение динамики электрона в атоме с помощью лазерных импульсов – иллюстрация Нобелевского комитета. Иллюстрация Physorg
Лауреатами Нобелевской премии по физике за 2023 год стали Пьер Агостини (США), Ференц Крауc (Германия) и Энн Л’Уилье (Швеция) – «за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электронов в веществе».
Нобелевские премии бывают «быстрые», то есть присуждаемые относительно быстро, после первой публикации результатов исследований (так произошло в случае награждения физиков Альберта Эйнштейна (1905 и 1921) и Нильса Бора (1913 и 1922) – и «долгие». Некоторым лауреатам приходилось ждать знаменательной вести из Стокгольма десятилетиями, например американскому патологу Пейтону Раусу (55 лет) или британскому биологу, клонировавшему лягушку, Джону Гёрдону (50). Лауреаты-физики 2023 года предложили свой взгляд на «организацию» экспериментов с электронами в конце 1980-х.
Датчанину Нильсу Бору, к которому в его Институт теоретической физики в Копенгагене ездили молодые Лев Ландау и Георгий Гамов, премию дали на следующий год после автора ОТО. Эйнштейн был уверен, что электрон должен при своем вращении вокруг ядра атома – подобно Земле вокруг Солнца – терять энергию и в конечном итоге упасть на ядро. Бор же постулировал, что электрон удерживается ядром на каком-то исходном, ground-уровне, и энергия отрицательного заряда при этом не теряется.
Другое дело возбуждение электрона, то есть передача ему дополнительной энергии, обретая которую он поднимается на более высокий энергетический уровень. Там электрон пребывает весьма непродолжительное время, измеряемое пикосекундами (10–12 с), после чего «срывается» вниз, рекомбинируя с испусканием фотона света, длина волны которого тем меньше, чем более возбужденным был электрон.
Но все это долгие десятилетия было рафинированной наукой, которая мало что давала в практическом плане, пока два советских физика, Александр Прохоров и Николай Басов, не создали лазер, за что оба в компании с американцем Чарлзом Таунсом быстро были удостоены Нобелевской премии (1964).
А затем в Цюрихе Герд Биннинг и Генрих Рорер, использовав компьютер, чтобы гасить малейшие колебания поверхности, построили в 1981 году сканирующий туннельный микроскоп. С его помощью они доказали, что при достаточном сближении токопроводящего кончика (tip) микроскопа с исследуемым образцом электроны начинают идти под энергетическим барьером, создавая так называемый туннельный эффект. Всего через пять лет им присудили Нобелевскую премию. И было за что: швейцарцы доказали экспериментально неабсолютность убеждения химиков, согласно которым вещества потому и остаются таковыми, что они – а вернее их электроны – не могут преодолеть энергетического барьера (без соответствующей подпитки энергией – нагрева, действия света или даже ультрафиолета).
На следующий год после триумфа швейцарцев в дело вступила уроженка Парижа Энн Л’Уилье. В свои неполные 30 лет она начала в одном из парижских университетов опыты с применением титан-сапфирового лазера, достигнув рекорда в минимальной продолжительности его импульса 170 аттосекунд (1,7 х 10–16 с). Ее исследования заметили, пригласили для работы над степенью в Гетеборг, а затем и в Лос-Анджелес. Но в 1995 году она вернулась в Европу, получив кафедру в Лундском университете Швеции, где через два года стала профессором. Энн читала лекцию студентам, когда 3 октября 2023 года пришел звонок на ее телефон из «соседнего» Стокгольма. «Мне трудно было продолжать лекцию», – призналась она с улыбкой.
Ее соотечественник Пьер Агостини окончил Марсельский университет, после чего перебрался за океан, где в Университете Огайо в г. Колумбусе стал активным экспериментатором. Его рекорд составил 250 аттосекунд. Достижение венгра Ференца Крауса вроде бы скромнее – получение изолированных лазерных импульсов длительностью 650 аттосекунд. Но зато он возглавляет Институт квантовой физики Мюнхенского университета.
Что позволяют делать столь короткие импульсы и в чем их практическая ценность?
Благодаря лауреатам нынешнего года удалось проследить динамику движений одиночных электронов в атоме, удерживаемых силовым полем атомного ядра. Импульс придает дополнительную энергию электрону, пребывающему в потенциальной яме, и он «туннельным» способом уходит с орбиты. В полном соответствии с постулатом Бора электрон недолго пребывает в свободном состоянии, «втягивается» обратно полем ядра.
Краткость лазерных импульсов, которые удалось создать лауреатам, позволила всю эту динамику проследить в деталях и понять механизм взаимодействия света с веществом. Этот метод, несомненно, найдет применение в физике твердого тела. Для химиков аттосекундная физика позволила создать эффективные методы идентификации различных молекул и их изменений в ходе химических реакций. Фармакологам важно понимать взаимодействия лекарств с белками и при создании новых диагностикумов.
Не следует забывать и о фотосинтезе, который как бы нарушает постулат Бора о недолгом пребывании электрона в свободном состоянии. В процессе «утилизации» энергии солнечных фотонов с помощью больших белковых комплексов свободный электрон не теряет и не рассеивает энергию, а тратит ее с «пользой» – на фотолиз (разложение с помощью света) воды. Образовавшиеся протоны используются растением для синтеза клеточной энергии в виде молекул АТФ. Так с помощью солнечного фотона запускается энергетический цикл биосферы, квантовый механизм которого еще далек от своего понимания.
