Με τα μάτια μας παρακολουθούμε καθημερινά σε πραγματικό χρόνο τη δυναμική πολλών φαινόμενων, όπως την ανατολή και τη δύση του ήλιου, το πέταγμα των πουλιών στον κήπο μας αλλά και ανθρώπινες δραστηριότητες, όπως έναν αγώνα ποδοσφαίρου. Για την περαιτέρω μελέτη τους, μπορούμε να τα καταγράφουμε στο κινητό μας και να τα βλέπουμε σε επανάληψη όποτε το επιθυμούμε. Η απεικόνιση-καταγραφή της δυναμικής των φαινομένων της φύσης αποτελεί έναν δομικό λίθο για την κατανόηση τους, η οποία είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τη σωστή λειτουργία τους.
Αν χρησιμοποιήσουμε προηγμένες τεχνολογικά βιντεοκάμερες μπορούμε να παρατηρήσουμε ακόμη και μικρές λεπτομέρειες κίνησης όπως το φτερούγισμα ενός πουλιού ή την περιστροφή των τροχών ενός αυτοκινήτου. Όμως ακόμη και οι πιο σύγχρονες βιντεοκάμερες δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να καταγράψουν την υπερταχεία ηλεκτρονική δυναμική ατόμων μέσα στα συστήματα του μικρόκοσμου.
«Ο λόγος είναι ότι αυτά τα συστήματα κινούνται με ιλιγγιώδεις ταχύτητες. Είναι σαν να προσπαθεί κάποιος να καταγράψει το γρήγορο χτύπημα των φτερών ενός κολιμπρί μόνο με την όραση του!», εξηγεί ο Δρ Παρασκευάς Τζάλλας, Διευθυντής Ερευνών του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ) στο Ηράκλειο της Κρήτης και επιστημονικός υπεύθυνος των ερευνητικών δραστηριοτήτων της ‘Φυσικής των Αττοδευτερολέπτων»’ και του ‘Κβαντικού φωτός και Τεχνολογιών’ στο Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ (ΙΗΔΛ) του ΙΤΕ.
Για να γίνει αυτό καλύτερα αντιληπτό, αρκεί να αναφερθεί πως ένα ηλεκτρόνιο, για να κάνει μια περιστροφή γύρω από τον πυρήνα του ατόμου, χρειάζεται μόνο 150 δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου ή αλλιώς 150 αττοδευτερόλεπτα (1 αττοδευτερόλεπτο = 10-18 δευτερόλεπτα). Η καταγραφή αυτών των εξαιρετικά γρήγορων αλλαγών απαιτεί παλμούς φωτός χρονικής διάρκειας συγκρίσιμης με τους χαρακτηριστικούς χρόνους κίνησης των ηλεκτρονίων στην ύλη. Δηλαδή, απαιτεί παλμούς φωτός με χρονική διάρκεια στην κλίμακα χρόνου των αττοδευτερολέπτων.
Οι ερευνητές χρησιμοποιώντας αυτούς τους παλμούς και αναλύοντας τα προϊόντα της αλληλεπίδρασης τους με την ύλη καταφέρνουν να «φωτογραφήσουν» τις υπερταχείες κινήσεις των συστημάτων του μικρόκοσμου και έτσι να κατανοήσουν καλύτερα την συμπεριφορά τους. Ο τομέας αυτός της επιστήμης ονομάζεται «Αττοφυσική» ή «Αττοεπιστήμη».
Μετρώντας την υπερταχεία δυναμική του μικρόκοσμου
Για περισσότερα από 20 χρόνια, η δημιουργία παλμών φωτός αττοδευτερολέπτων και η εφαρμογή τους στην έρευνα στο πεδίο της “αττοεπιστήμης” βασιζόταν στη χρήση ακτινοβολίας στο ακραίο υπεριώδες (XUV). Παρά τα μεγάλα επιτεύγματα που σημειώθηκαν με τη χρήση αυτών των XUV παλμών, εξακολουθεί να υπάρχει ένα βασικό πρόβλημα.
«Η XUV ακτινοβολία είναι ιονίζουσα για τα περισσότερα συστήματα που δημιουργούνται από την ίδια την φύση. Δηλαδή, τα περισσότερα άτομα/μόρια όταν αλληλεπιδράσουν με μια XUV πηγή φωτός χάνουν ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια και φορτίζονται θετικά, μια διαδικασία γνωστή ως ιονισμός. Αυτό δεν το θέλουμε, γιατί ο ιονισμός αλλάζει τα χαρακτηριστικά του υπό μελέτη συστήματος. Αυτό που θέλουμε είναι να καταγράψουμε την υπερταχεία δυναμική των συστημάτων όπως αυτά μας δίνονται από την ίδια τη φύση. Αυτό απαιτεί τη δημιουργία παλμών αττοδευτερολέπτων με την χρήση μη ιονίζουσας ακτινοβολίας-ακτινοβολία στην φασματική περιοχή του ορατού μέχρι το βαθύ υπεριώδες κενού (VUV)», αναφέρει ο Δρ Τζάλλας.
Η δημιουργία αυτών των παλμών φωτός και η ανάπτυξη μεθόδων για τη μέτρησή τους ήταν μία μεγάλη πρόκληση για την επιστημονική κοινότητα. Τώρα μια διεθνής ομάδα ερευνητών από το ELI-ALPS (Σέγκεντ-Ουγγαρία), ICFO (Βαρκελώνη), Guangdong Technion-Israel Institute of Technology (Κίνα), Technische Universität Wien (Αυστρία), Université de Bordeaux–CNRS–CEA (Γαλλία), και από το ΙΗΔΛ, του ΙΤΕ, κατάφερε ακριβώς αυτό.
Για πρώτη φορά, αυτή η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε τεχνικές παραγωγής και μετρολογίας παλμών αττοδευτερολέπτων με τη χρήση μη ιονίζουσας ακτινοβολίας. Η παραγωγή έγινε με τη χρήση της αλληλεπίδρασης ημιαγωγών με ισχυρό λέιζερ στο υπέρυθρο, και η μετρολογία έγινε με τη χρήση της αλληλεπίδρασης της παραγόμενης από τον ημιαγωγό ακτινοβολίας με άτομα Κεσίου.
Αυτά τα πρωτοποριακά ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο Nature Communications, ανοίγουν τον δρόμο για μελέτες υπερταχείας δυναμικής των συστημάτων του μικρόκοσμου όπως αυτά δημιουργούνται από την ίδια τη φύση.
Επίσης, τα ευρήματα εισάγουν τους ημιαγωγούς ως νέες πηγές αττοδευτερολέπτων και αναδεικνύουν τις δυνατότητές τους για τη μελέτη υπερταχέων διεργασιών σε ένα ευρύτερο φάσμα υλικών. «Έχουμε αναπτύξει τα εργαλεία για την καταγραφή της υπερταχείας δυναμικής των φυσικών συστημάτων σε όλες τις καταστάσεις της ύλης, συμπεριλαμβανομένων ατόμων, μορίων σε αέρια και υγρή φάση, αλλά και σε στερεά», εξηγεί ο Δρ Παρασκευάς Τζάλλας, που είναι και ο επιστημονικός υπεύθυνος του άρθρου που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications.
Ο ίδιος πιστεύει ότι αυτά τα νέα εργαλεία και η μεθοδολογία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία νέων καταστάσεων κβαντικού φωτός με πολλές εφαρμογές στις κβαντικές τεχνολογίες, ενώ πολλοί τομείς στην τεχνολογία και τη βασική έρευνα (ατομική-μοριακή και στερεάς κατάστασης φυσική, χημεία, βιολογία) θα αποκομίσουν τεράστιο όφελος από τη διερεύνηση της αλληλεπίδρασης των παραπάνω παλμών με τα μικροσυστήματα της φύσης.
