या वर्षीचे भौतिकशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक तीन भौतिकशास्त्रज्ञांना प्रदान करण्यात आले आहे – अमेरिकेच्या ओहायो स्टेट युनिव्हर्सिटीतील पियरे अगोस्टिनी, जर्मनीतील गार्चिंग येथील मॅक्स प्लँक इन्स्टिट्यूट ऑफ क्वांटम ऑप्टिक्समधील फेरेंक क्रॉझ आणि स्वीडनच्या लुंड विद्यापीठातील ऍनी ल’हुलियर – त्यांच्यासाठी प्रकाशाच्या attosecond pulses मध्ये संशोधन. अॅटोसेकंद भौतिकशास्त्र शास्त्रज्ञांना सर्वात लहान टाइमस्केलमध्ये सर्वात लहान कणांकडे पाहण्याची परवानगी देते (अॅटोसेकंद हा सेकंदाचा एक-क्विंटिलीयनवावा किंवा नॅनोसेकंदचा एक अब्जांश भाग आहे). सर्व विजेत्यांनी या अल्ट्राफास्ट लेसर कडधान्यांचे उत्पादन करण्यास सक्षम होण्यासाठी प्रयोग विकसित केले, ज्याचा उपयोग आपल्या जगाचा सर्वात लहान स्केलवर तपास करण्यासाठी केला जाऊ शकतो आणि रसायनशास्त्र, जीवशास्त्र आणि भौतिकशास्त्रामध्ये त्याचा वापर केला जाऊ शकतो. स्वीडनमधील स्टॉकहोम येथील रॉयल स्वीडिश अकादमी ऑफ सायन्सेसने आज सकाळी या पुरस्काराची घोषणा केली. विजेत्यांना 11 दशलक्ष स्वीडिश क्रोनर (US$1 दशलक्ष) चे बक्षीस वाटले जाते. विजेत्यांमध्ये भौतिकशास्त्र पारितोषिक मिळालेल्या पाचव्या महिलांचा समावेश आहे. मागील 221 विजेत्यांपैकी फक्त चार महिला आहेत: 1903 मध्ये मेरी क्युरी किरणोत्सर्गाच्या घटनेवर काम केल्याबद्दल, 1963 मध्ये मारिया गोएपर्ट-मेयर अणु रचनेचे काही तपशील अनपिक केल्याबद्दल, डोना स्ट्रिकलँड 2018 मध्ये लेझर भौतिकशास्त्र आणि Gzhe मध्ये काम केल्याबद्दल 2020 मध्ये सुपरमॅसिव्ह ब्लॅक होलच्या संशोधनासाठी. ल’हुलियर शिकवत होते जेव्हा तिला फोन आला की ती जिंकली आहे. “माझ्या लेक्चरचा शेवटचा अर्धा तास खूप कठीण होता,” ती बक्षीस घोषणेनंतर पत्रकार परिषदेत म्हणाली. “तुम्हाला माहिती आहे की, हे पारितोषिक मिळविणाऱ्या फारशा महिला नाहीत, त्यामुळे हे खूप खास आहे.”
“अॅटोसेकंद प्रकाश निर्माण करण्याच्या क्षमतेने अत्यंत लहान टाइमस्केलवर दार उघडले आहे आणि यामुळे इलेक्ट्रॉनच्या जगाचे दरवाजे देखील उघडले आहेत,” असे भौतिकशास्त्राच्या नोबेल समितीच्या अध्यक्षा इवा ओल्सन यांनी या घोषणेवर सांगितले. “मागे 1925 मध्ये, वर्नर हायझेनबर्गने असा युक्तिवाद केला की हे जग पाहिले जाऊ शकत नाही. अॅटोसेकंद भौतिकशास्त्राबद्दल धन्यवाद, हे आता बदलू लागले आहे.”
इटलीमधील पॉलिटेक्निक युनिव्हर्सिटी ऑफ मिलानमध्ये अॅटोसेकंड सायन्स करणारे इलेक्ट्रिकल इंजिनियर मौरो निसोली म्हणतात की, विजेत्यांची निवड त्यांना “खूप आनंदी” करते. बर्लिनमधील मॅक्स बॉर्न इन्स्टिट्यूट फॉर Nonlinear ऑप्टिक्स आणि शॉर्ट पल्स स्पेक्ट्रोस्कोपीचे संशोधक मार्क व्राकिंग जोडतात, सर्व विजेते “अत्यंत पात्र” आहेत. “एकामागून एक, त्यांनी या क्षेत्रात मोठे योगदान दिले”. स्पेनमधील बार्सिलोना येथे अॅटोसेकंड-विज्ञान परिषदेदरम्यान व्राकिंग आणि या क्षेत्रातील इतर तज्ञांपर्यंत आजची बातमी पोहोचली. “त्या क्षणापासून, यापुढे कोणीही भाषण ऐकू शकत नाही.” व्राकिंग पुढे म्हणाले की समितीने केवळ प्रायोगिक भौतिकशास्त्रज्ञांना पुरस्कार देण्याचे निवडले याचे त्यांना आश्चर्य वाटले. ते म्हणतात, “सिद्धांतकारांचे मोठे योगदान नसल्यास हे क्षेत्र कधीही विकसित होऊ शकले नसते”.
Attosecond विज्ञान
फोटो काढण्यासाठी खूप वेगाने हलणाऱ्या वस्तू प्रकाशाच्या बँडची प्रतिमा तयार करतात. अत्यंत वेगवान स्ट्रोब लाइट वस्तूला वेळेत गोठल्यासारखे दिसू शकते. अॅटोसेकंद लाइट पल्स त्याच तत्त्वानुसार कार्य करतात, जे एकेकाळी पाहणे अशक्य वाटले होते अशा घटनांचे जग उघडते.
1980 च्या दशकाच्या उत्तरार्धात अॅटोसेकंद सायन्सची कथा सुरू झाली, जेव्हा पॅरिस-सॅकले येथील संशोधन केंद्रात ल’हुलियर आणि तिचे सहकारी आयनीकृत आर्गॉनचा अभ्यास करत होते. जेव्हा त्यांनी इन्फ्रारेड लेसर प्रकाशात वायूचा पर्दाफाश केला, तेव्हा त्याने उच्च फ्रिक्वेन्सीच्या मालिकेत नवीन फोटॉन तयार केले, याचा अर्थ असा की आर्गॉनद्वारे उत्सर्जित केलेल्या वैयक्तिक फोटॉनमध्ये लेसर प्रकाशापेक्षा जास्त ऊर्जा होते ज्याने त्यांना चालना दिली. त्या सर्व फ्रिक्वेन्सी लेसर लाइटच्या ओव्हरटोन होत्या – जसे की पियानोवर समान टीप पुनरावृत्ती करणे, परंतु उच्च सप्तकांवर.
L’Huillier आणि इतर संशोधक, ज्यात भौतिकशास्त्रज्ञ पॉल कॉर्कम – त्यानंतर ओटावा येथील कॅनडाच्या नॅशनल रिसर्च कौन्सिलमध्ये काम करत होते – लवकरच या ‘उच्च हार्मोनिक्स’ 2 गॅसने कसे निर्माण केले याचे भौतिकशास्त्र स्पष्ट केले. यामुळे रिकॉलिजन नावाच्या घटनेचा शोध लागला. जेव्हा लेझर लाट अणूला आदळते, तेव्हा लाटेचे विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉनला फाडून टाकू शकतात, ज्यामुळे सकारात्मक आयन मागे राहतो. पण जर लाट योग्य वारंवारतेवर असेल, तर तिची वेगाने दोलन होणारी फील्ड ताबडतोब दिशा बदलतील आणि इलेक्ट्रॉनला इतरत्र कुठेही जाण्याची वेळ येण्यापूर्वी आयनच्या दिशेने परत ढकलतील. येणार्‍या इलेक्ट्रॉनमध्ये बहुतेक वेळा अणूचे आयनीकरण करण्यासाठी लागणाऱ्या ऊर्जापेक्षा जास्त ऊर्जा असते आणि ती अतिरिक्त ऊर्जा नंतर नवीन, उच्च-फ्रिक्वेंसी फोटॉन म्हणून सोडली जाते.
या उच्च फ्रिक्वेन्सींचा वापर अत्यंत लहान डाळी निर्माण करण्यासाठी केला जाऊ शकतो हे लक्षात घेऊन, L’Huiller ने उच्च हार्मोनिक्सची तीव्रता वाढवण्यासाठी एक कार्यक्रम सुरू केला. आणि 2001 मध्ये, पॅरिस-सॅकले येथे देखील पियरे अगोस्टिनी यांच्या नेतृत्वाखालील एक संघ हा पहिला होता ज्याने उच्च हार्मोनिक्सला अॅटोसेकंद-स्केल पल्स 3 मध्ये बदलण्यात यश मिळविले. महत्त्वाची गोष्ट म्हणजे, अॅगोस्टिनीने डाळींचा कालावधी मोजण्यासाठी आणि ते अ‍ॅटोसेकंदच्या काळात असल्याची पुष्टी करण्यासाठी एक तंत्र विकसित केले होते – जे यापूर्वी कोणीही केले नव्हते.
लेझर फोकस
सुरुवातीला, अॅटोसेकंद कडधान्ये एकापाठोपाठ एक वेगाने आली, ती एकमेकांच्या खूप जवळ उपयोगी पडली. त्यांचा वापर अॅटोसेकंद-स्केल प्रक्रियेच्या प्रोब म्हणून करण्यासाठी, संशोधकांना वेगळ्या डाळींची आवश्यकता होती. हे साध्य करण्यासाठी लेसर कडधान्यांपासून सुरुवात करणे आवश्यक आहे जे स्वतः खूप लहान होते, जास्तीत जास्त काही हजार अॅटोसेकंद. Krausz ने 1990 च्या उत्तरार्धात निसोलीच्या मिलान संघाच्या योगदानाने ही तंत्रे विकसित केली. व्हिएन्ना विद्यापीठातील 2001 च्या प्रयोगात, क्रॉझने त्याच्या लेसरला उच्च-हार्मोनिक जनरेशनसह जोडून डाळी तयार केल्या ज्या फक्त 650 अॅटोसेकंद टिकल्या – प्रथमच 1,000 अ‍ॅटोसेकंदचा अडथळा तोडला. व्राकिंग म्हणतात, “तुम्हाला आवडेल त्या पद्धतीने अॅटोसेकंद विज्ञान करण्यासाठी लेसर तंत्रज्ञान त्याच्याकडेच होते.
पुढील वर्षांमध्ये, क्रॉझच्या गटाने आणि इतरांनी पायनियरिंग अॅटोसेकंद-विज्ञान प्रयोगांची मालिका करण्यासाठी या तंत्राचा वापर केला. संशोधकांनी फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टचा वेग मोजला, ज्यामध्ये प्रकाश 5,6 अणूमधून इलेक्ट्रॉन्स फाडतो. भौतिकशास्त्रज्ञांना माहित होते की ही एक गुंतागुंतीची प्रक्रिया आहे आणि असे गृहीत धरले होते की इलेक्ट्रॉन त्वरित सोडला जात नाही, परंतु attosecond विज्ञानापर्यंत त्याचा वास्तविक कालावधी मोजण्याचा कोणताही मार्ग नव्हता.
लवकरच, तंत्र केवळ वैयक्तिक अणूंवरच नाही तर रेणू आणि अगदी घन आणि द्रवपदार्थांवर देखील लागू केले गेले. अॅटोसेकंद डाळी हे स्पष्ट करू शकतात की रेणू इलेक्ट्रॉन गमावल्यानंतर आणि आयनीकृत झाल्यानंतर काय होते: उरलेले इलेक्ट्रॉन स्वतःची पुनर्रचना करू लागतात, “अणु केंद्रकाला काहीही घडले आहे हे समजण्यापूर्वीच”, निसोली म्हणतात. संशोधक आता ‘अॅटोकेमिस्ट्री’ या तंत्राचा विस्तार करण्यावर काम करत आहेत, बॉण्ड्सची निर्मिती आणि तोडण्यासाठी हलकी डाळी वापरण्याची योजना आखत आहेत जे उत्स्फूर्तपणे होणार नाहीत.
