Aktuální číslo:

Chemie v éře attosekund

| 6. 5. 2024

| Vesmír 103, 278, 2024/5

| Téma: Čas

Femtosekundové laserové pulzy změnily v osmdesátých letech chemii. Máme podobnou revoluci čekat i od attosekund? Spíš ne… ale kdo ví.

Čas fascinuje. A to nejen vědce, ale i filozofy a umělce. Pro chemika je čas scénou, na které se odehrávají chemické přeměny. Některé – jako jsou rozpady určitých jader – se odehrávají v časových intervalech delších, než je předpokládaná doba existence vesmíru. Jiné chemické přeměny trvají naopak jen miliontiny miliardtiny sekundy – tedy femtosekundy.

Schematické znázornění femtosekundového experimentu se stilbenem. A. Molekula s vyobrazením rotace okolo dvojné vazby. B. Schematické znázornění časově rozlišeného signálu.

Dlouho před vznikem kvantové mechaniky přemýšleli chemici o reakcích jako o pohybu atomů, které se v čase přeskupují od reaktantů k produktům. A téměř od počátku atomové hypotézy se objevovaly pokusy natočit „molekulární video“. Problém ale byl, jakou „kameru“ použít, aby byl výsledný obraz ostrý. Klíčem je světlo, díky kterému je možné sestrojit jakési fotonové kamery založené na interakci molekul s krátkými pulzy světla. Pulzy kratší než zkoumané děje dávají šanci natočit nerozmazaný obraz pohybu jednotlivých atomů. Zbývá tak vyřešit jen poslední technický detail, a to, jak takto krátké pulzy světla připravit.

Před 180 lety se začalo „odsekáváním“ světla do krátkých pulzů. Světlu se postaví do cesty stínítko s úzkým otvorem, který umožní průchod paprsků. Spíše než pulzy vznikají záblesky světla, a to rychlým otáčením stínítka pomocí mechanických převodů ze soustavy ozubených kol, roztáčených obyčejnou klikou. Alexandre Edmond Becquerel (otec slavnějšího objevitele radioaktivity Antoina Henriho Becquerela) touto mechanickou technologií změřil fosforescenci trvající několik milisekund.

Hon za stále kratšími pulzy

Hon za attosekundovými pulzy se rozběhl již v polovině devadesátých let minulého století, kdy teoretici začali publikovat vědecké práce, ze kterých bylo zřejmé, že proces generování vysokých harmonických frekvencí povede k pulzům kratším než mytická bariéra jedné femtosekundy. Problém experimentu ale spočíval ani ne tak v tom, jak vysoké harmonické frekvence připravit, ale jak změřit délku generovaných pulzů. První záblesk naděje přišel v roce 1999, kdy se podařilo změřit pulzy o délce 100 attosekund. Tentokrát ovšem tkvěl problém ve velmi složitém experimentálním uspořádání, a tak nebylo zřejmé, jestli je změřený pulz opravdu tak krátký, nebo zda jde o artefakt.

První průkazný experiment spatřil světlo světa až v roce 2001 pod taktovkou jednoho z nedávno oceněných nobelistů. Jejich attosekundové pulzy měly délku 250 attosekund. A jak to tak bývá, je jednodušší něco zopakovat a vylepšit než udělat poprvé. Dosud nejkratší attosekundový pulz o délce pouhých 43 attosekund je zapsán v Guinessově knize rekordů a byl připraven v laboratoři na ETH Zürich.

Nové techniky

Jak šel čas, fyzici a inženýři postupně přicházeli s novými technologiemi pro stále kratší světelné pulzy. Průlom představoval vynález laseru v roce 1960. Velmi rychle se pak podařilo připravit pulzy nejprve nanosekundové (10^–9s), pikosekundové (10^–12 s) a nakonec femtosekundové (10^–15 s). Celý závod doslova o čas vyvrcholil na začátku 21. století, kdy v roce 2001 byly poprvé připraveny attosekundové pulzy (10^–18 s), viz rámeček na protější straně nahoře.