جایزه نوبل فیزیك ۲۰۲۳ به فیزیك‌دانان سازنده لیزرهای فوق‌ سریع اتوثانیه اهدا شد

تبلیغاتتبلیغاتتبلیغاتپیر آگوستینی و فرنس كراوس و آن لوئیلیه به‌پاس ابداع تكنیك‌هایی برای استفاده از پالس‌های نور در مقیاس اتوثانیه، جایزه نوبل فیزیك ۲۰۲۳ را به‌دست آوردند.تبلیغاتجایزه نوبل ۲۰۲۳ در شاخه‌ی فیزیك به سه فیزیك‌دانی اهدا شد كه با ساخت پالس‌های اَتوثانیه‌ای نور، امكان تماشای عملكرد درونی اتم‌ها را فراهم كردند .

این سه برنده عبارت‌اند از: پیر آگوستینی از دانشگاه ایالتی اوهایو آمریكا و فرنس كراوس از مؤسسه‌ی اپتیك ماكس پلانك در آلمان و آن لوئیلیه از دانشگاه لوند سوئد.فیزیك اتوثانیه به دانشمندان امكان می‌دهد تا به كوچك‌ترین ذرات در كوتاه‌ترین مقیاس‌های زمانی نگاه كنند .

گفتنی است یك اتوثانیه یك كَنتیلیونم ثانیه یا یك‌میلیاردم نانوثانیه است. برندگان نوبل فیزیك امسال همگی با ابداع آزمایش‌هایی نوین، پالس‌های لیزر فوق‌ كوتاهی را تولید كردند كه می‌توانند برای كاوش جهان ما در كوچك‌ترین مقیاس‌ها به‌كار روند .

امروز سه‌شنبه، آكادمی سلطنتی علوم سوئد در استكهلم اسامی برندگان جایزه نوبل فیزیك ۲۰۲۳ را اعلام كرد. برندگان نوبل جایزه‌ای به‌ارزش ۱۱ میلیون كرون سوئد (یك‌میلیون دلار آمریكا) را با یكدیگر سهیم می‌شوند.از بین برندگان نوبل فیزیك امسال، آن لوئیلیه پنجمین زنی محسوب می‌شود كه جایزه‌ی نوبل فیزیك را دریافت كرده است .

از ۲۲۱ برنده‌ی پیشین این شاخه، تنها چهار نفر زن بوده‌اند: ماری كوری در سال ۱۹۰۳ برای پژوهش در‌زمینه‌ی پدیده‌ی پرتوزایی (رادیواكتیو)، ماریا ژئوپرت مایر در سال ۱۹۶۳ برای پرده‌برداری از برخی جزئیات ساختار اتمی، دانا استریكلند در سال ۲۰۱۸ به‌پاس پژوهش در‌زمینه‌ی فیزیك لیزر و آندره‌آ میا گز در سال ۲۰۲۰ به‌پاس پژوهش درباره‌ی سیاه‌چاله‌های كلان‌جرم .

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

»اوا اولسون، رئیس كمیته فیزیك نوبل، در بیانیه‌ی اعلام برندگان گفت: «توانایی تولید اتوثانیه‌های نور دریچه را به‌سمت مقیاس زمانی بسیار كوچك و جهان الكترون‌ها گشوده است. در سال ۱۹۲۵، ورنر هایزنبرگ استدلال كرد كه امكان مشاهده‌ی این جهان وجود ندارد؛ اما به‌لطف فیزیك اتوثانیه، وضعیت شروع به تغییر كرده است .

»مارك وراكینگ، پژوهشگر در مؤسسه‌ی اپتیك غیرخطی و طیف‌سنجی پالس كوتاه ماكس پلانك در آلمان، برندگان نوبل فیزیك امسال را افراد بسیار شایسته‌ای می‌داند كه هركدام ایفاگر نقش‌های مهم در حوزه‌ی فیزیك اتوثانیه بودند .

وراكینگ می‌افزاید از اینكه كمیته‌ی نوبل تصمیم گرفت صرفاً به فیزیك‌دانان تجربی جایزه بدهد، شگفت‌زده شد. او گفت: «اگر كمك‌های عظیم نظریه‌پردازان نبود، این رشته هرگز نمی‌توانست به‌شكل امروزی‌اش توسعه یابد .

»كپی لینكعلم اتوثانیهاجسامی كه به‌دلیل حركت بسیار سریع نمی‌توان از آن‌ها عكس گرفت، تصویری از نوار نور را تولید می‌كنند. نور چشمك‌زن بسیار سریع می‌تواند موجب شود كه جسم منجمدشده در زمان به‌نظر آید؛ اما پالس‌های اتوثانیه‌ی نور دریچه را به‌سمت جهانی از پدیده‌ها می‌گشایند كه زمانی تصور می‌شد دیدنشان غیرممكن است .

داستان علم اتوثانیه در اواخر دهه‌ی ۱۹۸۰ آغاز شد؛ یعنی زمانی‌كه لوئیلیه و همكارانش در حال مطالعه‌ی آرگون یونیزه بودند. وقتی آن‌ها گاز را در‌معرض نور فروسرخ لیزر قرار دادند، فوتون‌های جدیدی در مجموعه‌ای از فركانس‌های بالاتر تولید شد؛ بدین‌معنا كه فوتون‌های منفرد ساطع‌شده با آرگون درمقایسه‌با فوتون‌های نور لیزر كه آن‌ها را تحریك می‌كرد، انرژی بیشتر داشتند .

تمام آن فركانس‌ها فرازنواخت‌های نور لیزر بودند؛ مانند تكرار نتی روی پیانو، اما در اكتاوهای بالاتر.لوئیلیه و سایر پژوهشگران ازجمله پاول كركوم، فیزیك‌دان كانادایی، اندكی بعد سازوكار فیزیكی نحوه‌ی تولید آن هارمونیك‌های بالاتر با آرگون را توضیح دادند .

این تلاش به كشف پدیده‌ای به نام «بازبرخورد» منجر شد. وقتی موج لیزر به اتم برخورد می‌كند، میدان‌های الكتریكی موج می‌توانند الكترون را جدا كنند و یون مثبت به‌جا بگذارند. بااین‌حال، اگر موج در فركانس مناسب باشد، میدان‌های نوسانی سریع آن بلافاصله جهت را معكوس می‌كنند و پیش از آنكه الكترون زمان لازم برای رفتن به جایی دیگر را داشته باشند، آن را به‌سمت یون عقب می‌رانند .

این الكترون اغلب انرژی بیشتری از انرژی لازم برای یونیزه‌كردن اتم دارد و سپس آن انرژی اضافی به‌صورت فوتون‌های جدید دارای فركانس بالاتر آزاد می‌شود.لوئیلیه با درك اینكه این فركانس‌های بالاتر می‌تواند برای تولید پالس‌های بسیار كوتاه استفاده شوند، برنامه‌ای را برای افزایش شدت هارمونیك‌های بالاتر آغاز كرد .

در سال ۲۰۰۱، تیمی به رهبری پیر آگوستینی در دانشگاه پاریس ساكلی اولین گروهی بود كه توانست هارمونیك‌های بالاتر را به پالس‌هایی در مقیاس اتوثانیه تبدیل كند. از همه مهم‌تر، آگوستینی برای اولین‌بار تكنیكی را برای اندازه‌گیری مدت زمان پالس‌ها و تأیید وجود آن‌ها در وضعیت اتوثانیه ابداع كرد .

كپی لینكفوكوس لیزردر ابتدا، پالس‌های اتوثانیه به‌دلیل توالی سریع و نزدیك‌بودن بیش‌از‌حد به یكدیگر كاربردی 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 كوتاه در حد حداكثر چند‌هزار اتوثانیه بود. در اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰، كراوس با همكاری تیمی به رهبری مائورو نیسولی، مهندس برق در دانشگاه میلان، تكنیك‌های مورد‌نیاز را ابداع كرد .

در سال ۲۰۰۱ در دانشگاه وین، كراوس در آزمایشی لیزر خود را با فرایند تولید هارمونیك بالا تركیب كرد تا پالس‌هایی را تولید كند كه فقط ۶۵۰ اتوثانیه دوام می‌آورند و برای اولین‌بار سد هزار اتوثانیه را شكست.در سال‌های بعد، گروه كراوس و دیگران از تكنیك ابداعی خود برای انجام آزمایش‌های پیش‌گامانه در علم اتوثانیه استفاده كردند .

پژوهشگران سرعت اثر فتوالكتریك را اندازه گرفتند كه در آن نور الكترون‌ها را از اتم جدا می‌كند. فیزیك‌دانان می‌دانستند كه اثر فتوالكتریك فرایندی پیچیده است و فرض می‌كردند كه الكترون فورا آزاد نمی‌شود؛ اما تا زمان كاربردی‌سازی علم اتوثانیه هیچ راهی برای اندازه‌گیری مدت‌زمان واقعی آن نداشتند .

تكنیك‌های جدید به‌زودی نه‌تنها برای اتم‌های منفرد، بلكه برای مولكول‌ها و حتی جامدات و مایعات نیز به‌كار گرفته شدند. پالس‌های اتوثانیه می‌توانند نشان دهند كه بلافاصله پس از جداشدن الكترون و یونیزه‌شدن مولكول، دقیقاً چه اتفاقی رخ می‌دهد .

درحال‌حاضر، پژوهشگران مشغول كار روی گسترش تكنیك‌ها به «اتوشیمی» هستند و قصد دارند تا از پالس‌های نور برای هدایت تشكیل و شكستن پیوندها به روش‌هایی استفاده كنند كه خودبه‌خود اتفاق نمی‌افتند. به‌گفته‌ی لوئیلیه، زمان می‌برد تا به نقطه‌ای برسیم كه شاهد كاربرد اتوثانیه در پزشكی و صنعت نیمه‌رسانا و شیمی باشیم .