1 of 33

Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði 2023

“Fyrir þróun aðferða í framköllun attósekúndu ljóspúlsa til að glitta inn í heim rafeinda“

“for experimental methods that generate attosecond pulses of light for the study of electron dynamics in matter”

​

Helgi Sigurðsson

helg@hi.is

RAUNVÍSINDADEILD

2 of 33

LIQUID LIGHT RESEARCH GROUP

Strong light-matter physics in low dimensional materials

Cavity exciton-polariton dynamics

Non-Hermitian topological nonlinear photonics

​

Polaritonic neuromorphic computing

​

Nonequilibrium many body phenomena and emergent behavior

​

Vector-vortex polariton quantum fluids in liquid crystal microcavities

​

www.liquid-light.fuw.edu.pl

MSc. Andrzej Frączak

PhD. Valtýr Kári Daníelsson

BSc. Zuzanna Werner

Researcher, Luciano Ricco

MSc. Maciej Zaremba

MSc. Eryk Imos

3 of 33

4 of 33

Anne L’Huillier

Fædd: 1958, París, Frakkland

Stofnun: Lund University, Svíþjóð

Ferenc Krausz

Fæddur: 1962, Mór, Ungverjaland�Stofnun: Max Planck Institute of Quantum Optics; Ludwig-Maximilians-Universität München, Þýskaland

Pierre Agostini

Fæddur: 1941, Túnis

Stofnun: The Ohio State University, Bandaríkin

3

3

3

5 of 33

Nóbelsverðlaunin 2023 snúast um mælingar á skala attósekúnda með ofurstuttum ljóspúlsum

6 of 33

Kólibrífugl getur blakað vængjunum sínum 80 sinnum á sekúndu.

​

​

​

​

Mannsaugað aðgreinir 10 – 12 myndaramma á sekúndu. Eftir það skynjum við hreyfingu í 30-60 FPS “upplausn“.

​

​

Við skynjum vængblak kólibrífuglsins sem óskýra hreyfingu.

Video by The4KTravelChannel Travel

7 of 33

Hefðbundnar ljósmyndavélar hafa vélhlera sem getur opnast og lokast á 1/500 hluta úr sekúndu.

​

Þannig leyfir tæknin okkur að rýna betur inn í viðburði sem mannsaugað getur ekki.

Photo by Philippe Donn

8 of 33

Til að geta séð og mælt hraðari viðburði þarf hraðari „myndavél“

 

Við þurfum ansi gott flass! Eða öllu heldur…

…ofurstutta ljóspúlsa (Ultrashort pulses)

 

9 of 33

Hingað til hefur nútíma ljósleysitækni getur framkallað púlsa sem eru aðeins nokkrar femtósekúndur

Til að gera styttri púlsa þurfum við alveg nýja tækni sem hægt er að samstilla við ljósleysa

CAPTURING DYNAMICS WITH ULTRASHORT PULSES

10 of 33

Efnisyfirlit

  • Hvað er ljóspúls? Nokkur undirstöðuatriði.
  • Hver hefur þróunin verið: Femtósekúnduveggurinn
  • Ljóspúlsar sem mælitæki: Pump - Probe tilraunir
  • Ný tækni til að framkalla attósekúndu púlsa.
  • Attósekúndu mælingar: Hvað ber framtíðin í skauti sér?

11 of 33

Hvað er ljóspúls?

  • Stuttur „pakki“ af rafsegulbylgjum (ljósi) sem yfirleitt byggist á leysitækni

​

  • Rafsegulbylgjur hlýða jöfnum Maxwell‘s, sem sameinaði mörg klassísk lögmál um hegðun rafsviðs og segulsviðs.

​

  • Sér í lagi ― útbreiðsla rafsegulbylgna hlýðir bylgjujöfnunni sem d‘Alembert leysti.

​

James Clerk Maxwell 1831

Jean le Rond d'Alembert 1717

Tvístursamband

 

Lausnir í formi bylgja

12 of 33

Hvað er ljóspúls?

https://en.wikipedia.org/wiki/Wave_packet

 

Vegalengd - x

13 of 33

Hvað er ljóspúls?

  • Gagnkvæmt samband milli tímalengd púlsins og bandbreiddar hans (Fourier).

​

  • Það er: Því styttri sem púlsinn er, því stærri tíðnibandbreidd hefur hann.

​

Joseph Fourier 1768

Time-bandwidth product

Grundvallartakmörk í gerð ljóspúlsa

(bandwidth limited pulses)

14 of 33

https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum

400 – 800 THz

1.6 – 3.2 eV

Hefðbundin ljósleysistækni vinnur á sýnilega rófinu

 

Bandbreidd sýnilega rófsins ekki nægilega stór til að gera púlsa minni en 1 femtósekúnda

“Recent developments have pushed the duration of laser pulses close to its natural limit - the wave cycle, which lasts somewhat longer than one femtosecond (1 fs = 10-15 s) in the visible spectral range”

Hentschel, M., Kienberger, R., Spielmann, C. et al. Attosecond metrology. Nature 414, 509–513 (2001).

15 of 33

Ljóspúlsar sem mælitæki fyrir grundvallar rannsóknir �Pump-probe (transient) spectroscopy and multiphoton microscopy

Y. Zhang, J. Dai, X. Zhong, D. Zhang, G. Zhong, J. Li, Probing Ultrafast Dynamics of Ferroelectrics by Time-Resolved Pump-Probe Spectroscopy. Adv. Sci. 2021, 8, 2102488. https://doi.org/10.1002/advs.202102488

Hægt er að nota ljóspúlsa til að skoða hreyfingar innan í flóknum kerfum

  • Hvernig spunar raða sér rafheldnu efni
  • Hvernig örveindir í hálfleiðurum ljóma og breiða úr sér
  • Hvernig atóm hreyfast og bindast innan í sameindum

16 of 33

Atóm í sameindum hreyfast á skala femtósekúnda

1/1000 000 000 000 000 = 10-15

Femtóefnafræði (femtochemistry)

1999

Ahmed Zewail

California Institute of Technology

“for his pioneering work in this field showing that it is possible to see how atoms in a molecule move during a chemical reaction with flashes of laser light.”

https://www.fels-of-europe.eu/science_with_fels/fel_science/

17 of 33

Rafeindir í atómum hreyfast á skala attósekúnda

1/1000 000 000 000 000 000 = 10-18

Attórafeindafræði (attoelectronics)

2023

​

“Our main goal is to gain ever deeper insight into microscopic phenomena that profoundly affect our life.”

​

18 of 33

Hvernig eru ljóspúlsar gerðir?

 

19 of 33

20 of 33

Til að búa til púlsa þarf samfasa yfirtóna

 

 

 

 

 

 

21 of 33

Til að búa til púlsa þarf samfasa yfirtóna

Hver yfirtónn (sveifluháttur) samsvarar línu í rófi bylgjunar

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22 of 33

Mode locked lasers: femtosecond pulses

Hver sveifluháttur (yfirtónn) samsvarar rófslínu sem „lifir“ innan við þá bandbreidd ljósleysins sem magnar sveifluhættina

Hægt er að „læsa“ yfirtónina í samfasa sveiflur með því að „hrista“ efnisinnihald ljósleysins (e.g. acousto optic modulator)

https://encyclopedia.pub/entry/32683

https://courses.physics.ucsd.edu/2014/Fall/physics211a/specialtopic/pumpprobe2.pdf

Frequency comb

Laser output

Optical cavity

23 of 33

Undirstaða attósekúndu púlsa - Anne L’Huillier�High harmonic generation

 

M Ferray et al 1988 J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 21 L31

 

24 of 33

Undirstaða attósekúndu púlsa - Anne L’Huillier�High harmonic generation

N sveifluhættir

25 of 33

Ponderomotive energy of electron

 

 

For the argon gas experiment of Ferray and L’Hullier

J.L Krause, K.J. Schafer and K.C Kulander, Phys. Rev. Lett. 68, 3535 (1992).

P. B. Corkum, Phys. Rev. Lett. 71, 1994 (1993)

Nonlinear and coherent process involving single electrons interacting with many photons

​

Above-threshold ionization

Semiclassical description

26 of 33

Hægt að nota attósekúndu púlsa til að greina hreyfing rafeinda í ljósrafhrifum (photoelectric effect)

  • 1905 lagði Albert Einstein fram kenninguna sína á ljósrafhrifum. Tímamót í skammtafræði
  • Utanaðkomandi ljóseindir með nægilega orku geta losað rafeindir frá efni.
  • Tíminn sem það tekur rafeind að losna er afar stuttur, en núna mælanlegur.

 

 

1921

27 of 33

 

2p

2s

Neon

M. Isinger, R.J. Squibb, D. Busto, S. Zhong, A. Harth, D. Kroon, S. Nandi, C.L. Arnold, M. Miranda, J.M. Dahlström, E. Lindroth, R Feifel, M. Gisselbrecht and A. L’Huillier, Science 358, 893 (2017)

28 of 33

Tilraunir sýndu að sveifluhættirnir voru samfasa

  • 2001 notuðu Agostini og co. annað sýni með argon til sanna að attósekúndupúlsar væru mögulegir

​

  • Í tilrauninni losuðu bæði attósekúndu púlsarnir og afl-lítill infrarauður leysir rafeindir í sameiningu.

​

  • Ljósrafeindar rófið sýndi auka toppa sem hægt var að stilla með biðtími milli púlsanna og infrarauða leysins

29 of 33

Lest af attósekúndu púlsum (250 as) - Pierre Agostini

Stakir attósekúndupúlsar (650 as) - Ferenc Krausz

2001

2001

2003

30 of 33

Hröð þróun í styttingu púlsa

Mengxin Ren et al 2023 J. Phys. Photonics 5 032501

31 of 33

Framtíð attósekóndu ljóspúlsa

  • Grundvallarrannsóknir á rafeindahreyfingu í atómum
  • Nákvæmari kortlagning á gerð sameinda og upphaf efnahvarfa
  • Fíngerð blóðgreining eða eftirlit með spilliefnum í vatni
  • Ljósvirkjaðir smárar (ultrafast optically gated transistors)
  • Ljósröfun efna í mismunandi fösum
  • Hegðun örveinda eða spuna í föstu efni (solid state physics)

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abb0979

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf1015

32 of 33

ATTOPHYSICS WITH THE SHORTEST PULSES OF LIGHT

33 of 33