«Скорость вычислений сможет возрасти на порядки»: физик-теоретик — о новом возможном применении аттосекундных импульсов

Аттосекундная физика — молодое научное направление, которое изучает создание и применение ультракоротких лазерных импульсов. Длительность таких вспышек сопоставима со временем, которое требуется для перестроения электронной структуры атома. Поэтому аттосекундные лазерные импульсы позволяют учёным наблюдать за квантовыми процессами внутри атомов, а также влиять на них. Об этом в интервью RT рассказал заведующий кафедрой теоретический физики Воронежского государственного университета Михаил Фролов. Учёный совместно с коллегой, доцентом ВГУ Александром Флегелем, выдвинул гипотезу, согласно которой аттосекундные импульсы можно применять для создания высокопроизводительной электроники нового типа. Также аттосекундные технологии способны в перспективе открыть путь к созданию соединений с уникальными химическими свойствами и к новым исследованиям в области квантовой физики.

• Gettyimages.ru
• © vchal

— Чем занимается аттосекундная физика, как она появилась и почему была выделена в отдельную область?

— Аттосекундная физика возникла в результате симбиоза двух крупных научных направлений — лазерной физики и физики, изучающей взаимодействие лазерных импульсов с атомами и молекулами. По сути, аттосекундная физика занимается изучением волновых процессов на аттосекундном масштабе. Аттосекунда — это секунда в минус 18-й степени, а если приводить наглядные сравнения, то за одну секунду проходит столько аттосекунд, сколько прошло секунд за время существования Вселенной — примерно 14 млрд лет. Или приведу другую аналогию: известно, что ничто не может превысить скорость света, это самое быстрое, что существует в природе. И свет, который испущен Солнцем, достигает Земли примерно за восемь минут. А теперь возьмём один атом, например, водорода, диаметр которого составляет один ангстрем — десять в минус десятой метра. Так вот, свет проходит это расстояние за одну аттосекунду. Это безумно короткие интервалы времени, которыми мы, разумеется, в обыденной жизни не оперируем и которые даже сложно представить.

С момента основания аттосекундной физики прошло около 20 лет, что по меркам науки немного. Начиналось всё с единичных экспериментов по производству лазерных импульсов аттосекундной длительности. Сначала удалось создать импульс длительностью в одну фемтосекунду — это одна квадриллионная секунды. Затем физики научились создавать импульсы длительностью 800 аттосекунд, а к 2016 году — 300 или даже 100 аттосекунд.

• Gettyimages.ru
• © Charles O’Rear

Как я уже упомянул, аттосекундная физика занимается изучением волновых процессов — это и электромагнитные явления, переменное электромагнитное поле. Либо же квантовые объекты — атомы и молекулы, которые подчиняются законам квантовой физики. Они отличаются от законов классической механики, которые мы можем наблюдать в повседневной жизни. Так, на квантовом уровне движущиеся частицы обладают волновыми свойствами, которые описываются с помощью волновой функции. Поэтому, когда мы говорим о волновых процессах, которые изучает аттосекундная физика, мы имеем в виду движение электронов и других квантовых частиц.

— То есть при помощи аттосекундных лазерных импульсов можно «заглянуть» внутрь атомов и молекул?

— Да, поскольку электронная структура атома меняется за аттосекундные отрезки времени. Поэтому и для детектирования таких процессов нам нужны инструменты, работающие в таких же временных масштабах. Можно сравнить с обычной фотосъёмкой, где чем быстрее движется объект съёмки, тем короче должна быть выдержка объектива.

С помощью аттосекундных лазерных импульсов мы сможем не только узнать, как меняется электронная структура атома в тех или иных реакциях и условиях, как развиваются эти процессы, но также оказать на них воздействие.

Электроны в атомах распределены по уровням, на каждом уровне находится определённое количество электронов. Можно представить атом в качестве ящика, заполненного рядами шаров. И если вы убираете шарик из какого-то ряда, то, естественно, верхние шары начнут падать в образовавшуюся пустоту. То же самое происходит с атомом: если вырвать электрон из внутренней оболочки (уровня), то на это место может прийти электрон с верхнего или нижнего уровня. А если вы хотите сфотографировать процесс этого перехода, вам нужна «камера», которая срабатывает быстрее, чем электрон совершает свой переход. В этой области и работает аттосекундная физика, она позволяет отслеживать модификацию энергетических оболочек атома.

• Gettyimages.ru
• © Jian Fan

— Каким образом физики получают настолько короткие вспышки лазера?

— Когда мощный лазерный импульс взаимодействует с атомом, например, водорода, в атоме возникает возбуждение, которое испускается в виде гармоники, или обертонов, то есть вторичного излучения на частотах, кратных изначальному излучению лазера. Возникает как бы параллельная исходной волна на другой частоте. И если объединить эти волны, то при совпадении фаз этих волн импульс усилится; если фазы объединяются в противофазе, то поле пропадает. Таким образом, имея широкий спектр таких вторичных волн, можно получить узкий и изолированный аттосекундный импульс в результате когерентного (синхронного. — RT) сложения этих обертонов. За разработку метода получения изолированных аттосекундных импульсов в 2023 году была вручена Нобелевская премия по физике.

Сегодня технология производства аттосекундных лазерных импульсов уже отработана в ряде стран, это делается в крупных лазерных центрах, где есть мощные лазеры. Сейчас перед научным сообществом стоит задача повысить мощность аттосекундных импульсов, чтобы с их помощью можно было не только детектировать изменения в электронной структуре атомов, но и влиять на неё. Сейчас получаемые аттосекундные импульсы малоинтенсивные, обладают малой мощностью. Как их усилить — ответ на этот вопрос ещё предстоит найти.

— Ваша научная группа недавно опубликовала работу, посвящённую новому эффекту — контролируемому выпрямлению аттосекундного импульса в отдельном атоме. Расскажите, пожалуйста, об этом подробнее. 

— Прежде всего следует объяснить, что такое оптическое выпрямление — эффект, который был открыт ещё на заре нелинейной оптики, раздела физики, изучающего распространение световых пучков в твёрдых телах, жидкостях и газах. Эффект оптического выпрямления заключается в том, что при взаимодействии лазерного излучения с веществом в последнем формируется постоянное электромагнитное поле, дипольный момент. Однако до сих пор эффект оптического выпрямления можно было наблюдать только в каких-то кристаллических структурах на относительно больших объектах. Мы же выдвинули научную гипотезу, согласно которой аналогичный эффект оптического выпрямления можно воспроизвести на атомарном уровне, внутри атома.

Это возможно, если воздействовать аттосекундными лазерными импульсами на атом, помещённый в интенсивное инфракрасное поле.

• Gettyimages.ru
• © Grassetto

— Это может найти какое-то техническое применение?

— Технология создания дипольного момента в атомах может теоретически найти применение при создании электроники нового типа. Дело в том, что сейчас вся элементная база строится на полупроводниках, в основном кремнии. По сути, хранение и обработка информации в этом случае производятся за счёт перемещения электронов в кремниевой подложке. Однако эта технология подходит к пределам своих возможностей, рост производительности процессоров заметно замедлился в последние годы, ведётся поиск альтернатив кремнию.

Сразу подчеркну, что пока это только гипотеза. Но предположим, что в качестве такого носителя смогут выступить атомы любого вещества, которые будут с аттосекундной скоростью менять дипольный момент под воздействием лазера. В этом случае скорость вычислений, производительность компьютеров сможет возрасти сразу на порядки.

— Планируется ли провести эксперименты для подтверждения данной гипотезы? В России есть необходимые для этого мощности, оборудование?

— Да, в России есть ряд мощных лазерных установок — например, такая лаборатория есть в МГУ, действует подобный центр и в Нижнем Новгороде, Сарове. То есть технически проводить такие эксперименты в России есть на чём, оборудование имеется. Однако аттосекундные исследования пока не находятся в центре внимания отечественной экспериментальной физики. Сегодня это направление исследований больше всего востребовано в США, европейских странах и Китае. У нас же крупные лазерные центры и физики-экспериментаторы сконцентрированы на других областях науки. Российские мощные лазеры полностью задействованы в других экспериментах, каждый из них строился под свою задачу. Чтобы развивать аттосекундную физику, нужно по большому счёту открыть специальные лаборатории, которые занимались бы именно этим направлением.

• Gettyimages.ru
• © miljko

— В каких ещё областях может найти применение или уже находит аттосекундная физика? Например, как она может быть задействована в медицине и биохимии?

— Аттосекундная физика может в перспективе открыть возможность влиять на электронную структуру атомов, а именно она отвечает за химические свойства веществ. Поэтому, если мы научимся произвольно формировать электронную плотность в атомах и молекулах, это, возможно, позволит создавать уникальные соединения и вещества, которые будут обладать новыми физическими и химическими свойствами. Кроме того, есть гипотеза, согласно которой раковые и здоровые клетки по-разному откликаются на лазерное воздействие, причём разница составляет десятки аттосекунд. Её выдвинул нобелевский лауреат по физике немецкий учёный Ференц Краус. По его мнению, при помощи аттосекундных лазерных импульсов можно диагностировать рак и другие заболевания.

В фундаментальной науке аттосекундные технологии помогут заглянуть внутрь атома и детально изучить динамику квантовых процессов. В целом перспективы для развития у этой области обширные.

Материал подготовлен при поддержке пресс-службы Минобрнауки.

Источник