COOLna

O druhou z letošních Nobelových cen se rovným dílem podělila trojice fyziků: Francouzi Anne L’Huillierová a Pierre Agostini společně s Rakušanem maďarského původu Ferencem Krauszem.

Jejich práce otevřela ostatním vědcům svět attosekundové fyziky. Attosekunda je jedna triliontina, tedy 0,000000000000001 sekundy. Vědeckým zápisem je to 10-18. Pro srovnání: doba, kterou urazí záblesk světla z jednoho konce místnosti na druhý se pohybuje v desítkách miliard attosekund. Nejzajímavější jev, jehož délka se měří v attosekundách, jsou pohyby elektronů uvnitř atomových obalů.
Ještě v 80. letech minulého století považovali vědci za nejkratší měřítko, v němž je technicky možné něco pozorovat a měřit, femtosekundy. Femtosekunda je biliardtina, exponenciálním zápisem 10-15 sekundy. Srovnatelně krátké světelné záblesky se dají získat ze speciálního typu laserů. V měřítku femtosekund se odehrávají pohyby jednotlivých atomů uvnitř molekul. Pohyby elektronů jsou ještě rychlejší. Ke zkrácení pozorovacího intervalu nakonec pomohl trik vycházející z jevu dobře známého hudebníkům.

Využívá totiž obdobu alikvótních tónů. Ty zní společně se základním tónem nějakého nástroje. Jejich frekvence je jeho celočíselný násobek. Například komorní A má frekvenci 440 Hertzů. Když si ho vygenerujete elektronicky, zní nudně, nezajímavě až nepříjemně. Pokud ale zahrajete A na pořádný klavír, zvuk je daleko plnější. Vedle základních 440 Hertzů totiž slyšíte i třeba 880, 1320 a tak dál. Bez alikvótních tonů by se klavír nedal poznat od kytary nebo dalších nástrojů. Hráči na různé instrumenty často vyluzují další alikvótní tóny schválně. Říká se jim flažolety.

Například na kytaru se dají zahrát lehkým dotykem struny přímo nad některými pražci. Hraním flažoletů prosluli třeba Joe Satriani nebo Eddie Van Halen. Alikvótní tóny mohou k základnímu zvuku strun přidávat i některé elektronické efekty. Výsledek je pak pro hudebníky i posluchače zajímavější.

V případě attosekundových pulsů však nebyl zkoumaným médiem zvuk, nýbrž světlo. Obojí je vlnění. V případě zvuku se vlny šíří vzduchem. Světlo se dá zase popsat jako vlnění elektromagnetického pole. Jednotlivé světelné vlny se mohou navzájem sčítat a odčítat. Právě tímto způsobem se Anne L’Huillierové povedlo položit základ techniky získání extrémně krátkých světelných záblesků. Na konci 80. let studovala šíření paprsku infračerveného laseru vzácnými plyny.

Společně s dalšími kolegy prokázala, že při tom vzniká světelná obdoba flažoletů. Když světlo putuje plynem, občas rozkmitá elektrony v atomových obalech. Některým dodá tolik energie, že se ze svého atomu na chvíli uvolní a zase se do něj vrátí. Po návratu ale musí energii navíc zase vyzářit ve formě dalšího světla. Právě tato znovu vyzářená energie tvoří ekvivalent alikvótních tónů vydávaných ozvučnou deskou kytary nebo piana.

Frekvence, tedy barva světla je úměrná jeho energii. Podobně to bylo v pokusech Anne L’Huillierové se vztahem mezi frekvencí původního laseru a flažoletů vyzařovaných rozkmitanými elektrony. Frekvence jednotlivých flažoletů se navíc navzájem sčítají a odčítají. Za správných okolností tak mohou vzniknout pulzy, jejichž délka se měří v attosekundách. Alespoň to naznačovaly výpočty. Pozorovat a prokázat se to však povedlo teprve v roce 2001. Zvládly to nezávisle na sobě hned dva týmy. Jeden vedl Pierre Agostini, druhý Ferenc Krausz.

Agostini a jeho spolupracovníci rozdělili laserový paprsek na dvě části. Jednu nechali projít plynem, druhou nikoliv. Paprsek, který neprocházel plynem, navíc zdrželi v bludišti optických hranolů. Povedlo se jim změřit sérii světelných pulsů dlouhých 250 attosekund. Týmu Ference Krausze se zase povedlo zaznamenat jednotlivé záblesky dlouhé 650 attosekund. Brzo nato jejich pomocí změřili i pohyb elektronů uvnitř atomu.

Attosekundová fyzika má obrovský potenciál při detailním studiu molekul. Její pomocí bude časem možné navrhovat nové materiály nebo rychlejší a úspornější elektronické součástky. Hodí se i při vývoji nových katalyzátorů – látek umožňujících a zrychlujících chemické reakce. Může se uplatnit i při studiu biologických molekul. Bude proto mít význam také v medicíně.

Radek John