V iskanju najhitrejših dogodkov v naravi

A vendar se mnogi najpomembnejši dogodki v naravi odvijajo prav na teh časovnih lestvicah. Elektroni, ki se gibljejo znotraj snovi. Kemijske vezi, ki se prekinjajo in ponovno nastajajo. Molekule, ki spreminjajo obliko. Magnetizem, ki se razvija znotraj materialov. Fotosinteza. Prvi osnovni koraki vida. Življenje samo, na njegovem najbolj temeljnem nivoju, uravnavajo ultrahitri mikroskopski procesi. Toda kako lahko opazujemo dogodke, ki se odvijajo tako hitro? Odgovor se začne z navidezno preprosto idejo: posneti film.

Muybridgeova znamenita serija posnetkov galopirajočega konja, eden prvih poskusov, ki je s časovno ločljivo fotografijo prikazal gibanje.

vir: https://en.wikipedia.org/wiki/The_Horse_in_Motion

Od galopirajočih konj do ultrahitre znanosti

Film ni nič drugega kot zaporedje posnetkov, posnetih drug za drugim. Če si posnetki sledijo dovolj hitro, naši možgani rekonstruirajo gibanje.

Danes se to zdi samoumevno, v devetnajstem stoletju pa je bilo to revolucionarno.

Leta 1878 je fotograf Eadweard Muybridge izvedel enega najbolj znanih poskusov v zgodovini fotografije. Takrat so se ljudje prepirali o na videz nepomembnem vprašanju: ali konj med galopom kdaj dvigne vse štiri noge hkrati od tal? Da bi odgovoril na to vprašanje, je Muybridge vzdolž dirkališča razporedil vrsto fotoaparatov. Ko je konj tekel mimo, je sprožil zaklopke eno za drugo in tako ustvaril hitro zaporedje fotografij. Prvič v zgodovini so človeška očesa lahko zamrznila gibanje in razkrila podrobnosti, ki so bile za običajno zaznavo nevidne.

Poskus je razrešil spor: da, med galopom res obstaja trenutek, ko so vse štiri noge v zraku. To je bil eden prvih primerov znanosti, ki upošteva časovno razsežnost.

Danes uporabljamo natanko isto načelo. Edina razlika je, da so dogodki, ki jih lahko preučujemo, neprimerljivo hitrejši. Galop konja poteka v časovnih okvirih desetink sekunde. Krogla, ki preleti jabolko, potrebuje mikrosekunde. Za fotografiranje projektila, ki eksplodira skozi sadje, so potrebne kamere, ki lahko posnamejo milijone slik na sekundo.

A atomi in molekule se gibljejo še veliko hitreje.

Gibanje elektronov znotraj snovi poteka v femtosekundah - milijoninkah milijardinke sekunde. Za opazovanje teh pojavov so običajne kamere neuporabne.

Potrebujemo povsem drugačen pristop.

Laserski sistem v LKO, ki se uporablja za ustvarjanje femtosekundnih svetlobnih impulzov.

Snemanje posnetkov s svetlobo

V znanosti o ultrahitrosti “kamera” ni sestavljena iz leč ali zaklopov, temveč iz laserskih impulzov. Laserski impulz je lahko tako kratek, da deluje kot bliskavica, ki snov osvetli le za nekaj femtosekund. Na Laboratoriju za kvantno optiko (LKO) Univerze v Novi Gorici to metodo uporabljamo za opazovanje mikroskopskih procesov v realnem času s pomočjo metode, imenovane spektroskopija s črpalko in sondo.

Predstavljajte si temno sobo, v kateri v zraku lebdi balon. Neka oseba ga udari, vendar njegovega gibanja ne morete neprekinjeno spremljati. Na voljo imate le bliskavico. Če se sproži bliskavica takoj, vidite balon blizu izhodišča; če sprožite bliskavico kasneje, ga vidite dlje stran. S ponavljanjem poskusa z različnimi zamiki lahko rekonstruirate gibanje. Točno to počnemo tudi s sestavnimi deli snovi. Prvi ultrakratek laserski impulz, črpalka, vzbudi sistem (“udari balon”), medtem ko drugi impulz, sonda (“bliskavica”), prispe po nadzorovanem zamiku in posname trenutni posnetek razvijajočega se procesa. Ponavljanje poskusa z različnimi zamiki nam omogoča rekonstrukcijo ultrahitrih filmov o temeljnih gradnikih snovi.

Poglobljen vpogled s svetlobo XUV

Vidna svetloba ima pogosto premalo energije, da bi lahko raziskala najgloblje elektronske lastnosti snovi. Do mnogih elektronov, odgovornih za magnetizem, kemijske vezi in kvantne učinke, je mogoče dostopati le s fotoni z veliko višjo energijo in precej krajšimi valovnimi dolžinami. Zaradi tega se ultrahitra znanost vse bolj opira na ekstremno ultravijolično (XUV) in rentgensko sevanje. Če vidna svetloba nežno osvetljuje površino snovi, XUV svetloba prodre globoko v njeno mikroskopsko strukturo. Priprava ultrakratkih impulzov XUV je izjemno zahtevna in zahteva visoko nelinearne procese. Ena od tehnik, ki jih uporabljamo v LKO, se imenuje High Harmonic Generation (HHG). Močan femtosekundni infrardeči laser usmerimo v plin, kot sta argon ali neon. Intenzivno lasersko polje odžene elektrone od atomov in jih nato spet privabi nazaj; ko se ponovno združijo, oddajajo ultrakratke izbruhe XUV svetlobe. Izsevano sevanje vsebuje številne »harmonike« izvorne laserske frekvence, podobno kot vibrirajoča struna kitare poleg osnovnega tona proizvaja tudi višje harmonične frekvence. S tem procesom se infrardeča svetloba pretvori v koherentno XUV-sevanje, ki traja le nekaj femtosekund, kar uporabljamo za raziskovanje ultrahitrega magnetizma, molekularne dinamike in interakcije med svetlobo in snovjo na atomski ravni.

Kaj počnemo v Laboratoriju za kvantno optiko

V LKO razvijamo napredne ultrahitre svetlobne vire in jih uporabljamo za preučevanje, kako se snov razvija v svojih naravnih časovnih okvirih. Z uporabo femtosekundnih XUV-impulzov preučujemo, kako se magnetni materiali odzovejo takoj po vzbujanju z ultrakratkim laserskim impulzom. V teh časovnih okvirih lahko svetloba začasno spremeni ali celo obrne magnetno stanje materiala. Razumevanje teh procesov bi lahko sčasoma pripeljalo do hitrejših in energetsko učinkovitejših tehnologij za shranjevanje in obdelavo podatkov. Druga pomembna raziskovalna smer vključuje fotoelektronsko spektroskopijo, ki deluje kot ultrahiter mikroskop za elektrone. XUV fotoni udarijo v material in iz njegove površine izbijajo elektrone; z merjenjem njihove energije in smeri lahko rekonstruiramo, kako se elektroni gibljejo znotraj samega materiala. To nam omogoča vizualizacijo elektronskih pasovnih struktur, “cest”, po katerih potujejo elektroni, in opazovanje, kako se te spreminjajo takoj po optični vzbuditvi. Ultrahitra znanost konec koncev temelji na zelo človeški ambiciji: želji videti tisto, kar je bilo doslej nevidno. Od Muybridgeovega galopirajočega konja do femtosekundnih filmov elektronov in atomov ostaja načelo enako: za trenutek osvetlimo naravo in rekonstruiramo, kako se snov razvija, preoblikuje in na koncu vrne v ravnovesje. 

prof. dr. Giovanni De Ninno, vodja Laboratorija za kvantno optiko Univerze v Novi Gorici