Ann an naidheachd chudromach air feasgar 3 Dàmhair 2023, chaidh Duais Nobel ann am Fiosaigs airson na bliadhna 2023 fhoillseachadh, ag aithneachadh tabhartasan air leth triùir luchd-saidheans a tha air pàirt chudromach a ghabhail mar thùsairean ann an saoghal teicneòlas laser attosecond.

Tha an teirm "laser attosecond" a’ faighinn ainm bhon raon-ama air leth goirid air a bheil e ag obair, gu sònraichte ann an òrdugh attoseconds, a tha co-ionann ri 10^-18 diogan. Gus tuigse fhaighinn air cudromachd dhomhainn na teicneòlais seo, tha tuigse bhunasach air dè tha attosecond a’ ciallachadh deatamach. Tha attosecond na aonad ùine air leth mionaid, a’ dèanamh suas aon bhilleanamh de bhilleanamh de dhiog taobh a-staigh co-theacsa nas fharsainge aon diog. Gus seo a chur ann an co-theacsa, nan dèanamaid coimeas eadar diog agus beinn àrd, bhiodh attosecond coltach ri aon ghràin gainmhich suidhichte aig bonn na beinne. Anns an eadar-ama ùine luaineach seo, is gann gun urrainn eadhon solas siubhal astar co-ionann ri meud dadam fa leth. Tro bhith a’ cleachdadh lasers attosecond, gheibh luchd-saidheans an comas gun samhail airson sgrùdadh a dhèanamh air daineamaigs iom-fhillte dealanan taobh a-staigh structaran atamach agus an làimhseachadh, coltach ri ath-chluich slaodach frèam-air-frèam ann an sreath cinematic, agus mar sin a’ sgrùdadh an eadar-chluich.

Lasairean attoseconda’ riochdachadh toradh rannsachaidh fharsaing agus oidhirpean co-òrdanaichte le luchd-saidheans, a tha air prionnsabalan optaig neo-loidhneach a chleachdadh gus leusairean ultra-luath a chruthachadh. Tha an teachd-a-steach aca air sealladh ùr-ghnàthach a thoirt dhuinn airson amharc agus sgrùdadh a dhèanamh air na pròiseasan fiùghantach a tha a’ tachairt taobh a-staigh dadaman, moileciuilean, agus eadhon dealanan ann an stuthan cruaidh.

Gus nàdar leusairean attosecond a shoilleireachadh agus meas a thoirt air na feartan neo-chonnspaideach aca an coimeas ri leusairean àbhaisteach, tha e riatanach an seòrsachadh taobh a-staigh an "teaghlaich leusair" nas fharsainge. Tha seòrsachadh a rèir tonn-fhaid a’ cur leusairean attosecond sa mhòr-chuid taobh a-staigh raon triceadan ultraviolet gu X-ghath bog, a’ comharrachadh an tonn-fhaid gu math nas giorra an coimeas ri leusairean àbhaisteach. A thaobh modhan toraidh, tha leusairean attosecond a’ tighinn fo roinn nan leusairean cuisleach, air an comharrachadh leis na h-ùine cuisle goirid aca. Gus coimeas a tharraing airson soilleireachd, faodar smaoineachadh air leusairean tonn leantainneach mar gum biodh iad coltach ri lòchran a’ leigeil a-mach beam solais leantainneach, agus tha leusairean cuisleach coltach ri solas strobe, ag atharrachadh gu luath eadar amannan solais agus dorchadais. Gu bunaiteach, tha leusairean attosecond a’ nochdadh giùlan cuisleach taobh a-staigh an t-solais agus an dorchadais, ach tha an gluasad eadar an dà staid a’ tachairt aig tricead iongantach, a’ ruighinn rìoghachd attoseconds.

Tha tuilleadh seòrsachaidh a rèir cumhachd a’ cur leusairean ann am bragaidean cumhachd ìosal, cumhachd meadhanach, agus cumhachd àrd. Bidh leusairean attosecond a’ coileanadh cumhachd as àirde air sgàth an ùine cuisle gu math goirid, agus mar thoradh air sin bidh cumhachd as àirde follaiseach (P) - air a mhìneachadh mar dian lùtha gach aonad ùine (P=W/t). Ged nach bi lùth air leth mòr (W) aig cuislean leusair attosecond fa leth, tha an leud ùine giorraichte aca (t) a’ toirt cumhachd as àirde dhaibh.

A thaobh raointean tagraidh, tha leusairean a’ còmhdach raon farsaing de thagraidhean gnìomhachais, meidigeach agus saidheansail. Tha leusairean attosecond sa mhòr-chuid a’ lorg an àite sònraichte taobh a-staigh raon rannsachadh saidheansail, gu sònraichte ann an sgrùdadh air iongantas a tha ag atharrachadh gu luath taobh a-staigh raointean fiosaig agus ceimigeachd, a’ tabhann uinneag a-steach do phròiseasan fiùghantach luath an t-saoghail mhicrocosmach.

Tha seòrsachadh a rèir meadhan leusair a’ mìneachadh leusairean mar leusairean gas, leusairean staid-chruaidh, leusairean leaghaidh, agus leusairean leth-chonnsachaidh. Mar as trice bidh gineadh leusairean attosecond an urra ri meadhanan leusair gas, a’ gabhail brath air buaidhean optigeach neo-loidhneach gus co-sheirm àrd-òrdugh a chruthachadh.

Mar gheàrr-chunntas, tha leusairean attosecond a’ dèanamh suas clas sònraichte de leusairean cuisle goirid, air an comharrachadh leis na fad cuisle anabarrach goirid aca, mar as trice air a thomhas ann an attoseconds. Mar thoradh air an sin, tha iad air a bhith nan innealan riatanach airson a bhith a’ coimhead agus a’ cumail smachd air pròiseasan fiùghantach ultra-luath dealanan taobh a-staigh dadaman, moileciuilean, agus stuthan cruaidh.

Am Pròiseas Mion-fhiosrachaidh airson Gineadh Laser Attosecond

Tha teicneòlas leusair attosecond aig fìor thoiseach ùr-ghnàthachaidh saidheansail, le seata de chumhachan air leth teann airson a chruthachadh. Gus iom-fhillteachd gineadh leusair attosecond a shoilleireachadh, tòisichidh sinn le mìneachadh goirid air na prionnsapalan bunaiteach aige, agus an uairsin samhlaidhean beòthail a tha air an toirt bho eòlasan làitheil. Chan fheum luchd-leughaidh nach eil eòlach air iom-fhillteachd na fiosaig buntainneach eu-dòchas a chall, oir tha na samhlaidhean a leanas ag amas air fiosaig bunaiteach leusairean attosecond a dhèanamh ruigsinneach.

Tha am pròiseas gineadh leusairean attosecond an urra sa mhòr-chuid ris an dòigh ris an canar Gineadh Àrd-Armonach (HHG). An toiseach, tha beam de chuislean leusair femtosecond àrd-dian (10^-15 diogan) air a chuimseachadh gu teann air stuth targaid gasach. Is fhiach a thoirt fa-near gu bheil feartan aig leusairean femtosecond, coltach ri leusairean attosecond, le fad cuisle goirid agus cumhachd as àirde. Fo bhuaidh an raoin leusair dian, bidh dealanan taobh a-staigh nan dadaman gasach air an saoradh airson greis bho na niuclasan atamach aca, a’ dol a-steach do staid de dhealanan saor airson greis. Mar a bhios na dealanan sin a’ crathadh mar fhreagairt don raon leusair, bidh iad mu dheireadh a’ tilleadh gu na niuclasan atamach pàrant aca agus ag ath-chothlamadh leotha, a’ cruthachadh staidean ùra àrd-lùtha.

Rè a’ phròiseis seo, bidh dealanan a’ gluasad aig astaran fìor àrd, agus nuair a thèid an ath-chur leis na niuclasan atamach, bidh iad a’ leigeil ma sgaoil lùth a bharrachd ann an cruth sgaoilidhean àrd-harmonic, a’ nochdadh mar fotonan àrd-lùtha.

Tha triceadan nan fotonan àrd-lùtha ùr-ghinte seo nan iomadan slàn den tricead laser tùsail, a’ cruthachadh na tha air ainmeachadh mar harmonics àrd-òrdugh, far a bheil “harmonics” a’ comharrachadh triceadan a tha nan iomadan slàn den tricead tùsail. Gus lasers attosecond fhaighinn, bidh e riatanach na harmonics àrd-òrdugh seo a shìoladh agus a chuimseachadh, a’ taghadh harmonics sònraichte agus gan cur ann am puing fòcas. Ma thogras tu, faodaidh dòighean teannachaidh cuisle fad na cuisle a ghiorrachadh tuilleadh, a’ toirt a-mach cuislean thar-ghoirid anns an raon attosecond. Gu follaiseach, tha gineadh lasers attosecond na phròiseas iom-fhillte agus ioma-thaobhach, a dh’ fheumas ìre àrd de chomas teicnigeach agus uidheamachd sònraichte.

Gus am pròiseas iom-fhillte seo a shoilleireachadh, tha sinn a’ tabhann co-shìnte meafarach stèidhichte air suidheachaidhean làitheil:

Buillean Laser Femtosecond Àrd-dian:

Smaoinich air inneal-catapult air leth cumhachdach a tha comasach air clachan a thilgeil sa bhad aig astaran mòra, coltach ris an dreuchd a bhios aig cuislean laser femtosecond àrd-dian.

Stuth Targaid Gasach:

Smaoinich air corp uisge socair a tha a’ samhlachadh an stuth targaid gasach, far a bheil gach boinne uisge a’ riochdachadh mìltean de dadaman gasach. Tha gnìomh a bhith a’ tilgeil chlachan a-steach don bhodhaig uisge seo a’ nochdadh buaidh cuislean laser femtosecond àrd-dian air an stuth targaid gasach.

Gluasad agus Ath-cho-chur Electron (Air a ghairm gu corporra mar eadar-ghluasad):

Nuair a bhuaileas cuislean laser femtosecond na dadaman gasach taobh a-staigh an stuth targaid gasach, bidh àireamh mhòr de electronan a-muigh air an brosnachadh airson greis gu staid far am bi iad a’ dealachadh bho na niuclasan atamach aca, a’ cruthachadh staid coltach ri plasma. Mar a bhios lùth an t-siostaim a’ lùghdachadh às deidh sin (leis gu bheil na cuislean laser gu nàdarrach cuisleach, le amannan stad), bidh na electronan a-muigh seo a’ tilleadh chun an nàbachd de na niuclasan atamach, a’ leigeil ma sgaoil fotonan àrd-lùtha.

Ginealach Àrd-sheirmeach:

Smaoinich gach uair a thuiteas boinne uisge air ais gu uachdar na locha, cruthaichidh e tonnan, glè choltach ri co-sheirm àrd ann an lasers attosecond. Tha triceadan agus meudan nas àirde aig na tonnan seo na na tonnan tùsail air adhbhrachadh leis a’ phrìomh chuisle laser femtosecond. Rè a’ phròiseas HHG, bidh gath laser cumhachdach, coltach ri clachan a thilgeil gu leantainneach, a’ lasadh targaid gas, coltach ri uachdar na locha. Bidh an raon laser dian seo a’ putadh dealanan anns a’ ghas, coltach ri tonnan, air falbh bho na dadaman pàrant aca agus an uairsin gan tarraing air ais. Gach uair a thilleas dealan chun dadam, bidh e a’ leigeil a-mach gath laser ùr le tricead nas àirde, coltach ri pàtrain tonnan nas iom-fhillte.

Criathradh agus Fòcasadh:

Le bhith a’ cur nan gathan laser ùra seo uile ri chèile, gheibhear speactram de dhiofar dhathan (triceadan no tonnan-fada), agus cuid dhiubh sin a’ dèanamh suas an laser attosecond. Gus meudan is triceadan tonnan sònraichte a sgaradh, faodaidh tu criathrag sònraichte a chleachdadh, coltach ri bhith a’ taghadh tonnan a tha thu ag iarraidh, agus glainne-mheudachaidh a chleachdadh gus an cur ann an àite sònraichte.

Teannachadh cuisle (ma tha sin riatanach):

Ma tha thu ag amas air tonnan a sgaoileadh nas luaithe agus nas giorra, faodaidh tu an sgaoileadh a luathachadh le bhith a’ cleachdadh inneal sònraichte, a’ lughdachadh na h-ùine a mhaireas gach tonn. Tha gineadh leusairean attosecond a’ toirt a-steach eadar-obrachadh iom-fhillte de phròiseasan. Ach, nuair a thèid a bhriseadh sìos agus a dhealbhadh gu lèirsinneach, bidh e nas so-thuigsinn.