Что такое аттосекунда: временные масштабы в природе

Аттосекунда (ас) — это единица времени, равная 10−18 секунды. Этот масштаб позволяет исследовать явления, происходящие на уровне атомных и субатомных процессов, таких как движение электронов в атомах и молекулах. Для сравнения, свет проходит приблизительно 0,3 нанометра за одну аттосекунду — что сопоставимо с размерами атомных орбит.

Аттосекундный диапазон времени находится на стыке между фемтосекундной (10−15 с) и зептосекундной (10−21 с) физикой, открывая новые возможности для изучения динамики материи на фундаментальном уровне.

Временные масштабы в природе

1. Макроскопические процессы:

  • Часы, секунды, минуты — повседневные процессы.
  • Механическое движение тел, тепловые процессы.

2. Микроскопические процессы:

  • Пикосекунды (10−12 с): колебания молекул, флуктуации в жидкостях.
  • Фемтосекунды (10−15 с): ядерные колебания, ультракороткие лазерные импульсы.
  • Аттосекунды (10−18 с): движение электронов в атомах, фотоэффект и туннелирование.
  • Зептосекунды (10−21 с) и йоттосекунды (10−24 с): фундаментальные элементарные взаимодействия, рассеяние частиц.

Таким образом, аттосекундный масштаб охватывает промежуточный уровень между ядром атома и движением электронов, что позволяет исследовать электронные процессы практически в реальном времени.

Электронная динамика на аттосекундных масштабах

Электроны, находясь в атомных орбитах, обладают энергиями, соответствующими уровням электронных состояний. Время перехода электрона между орбитами, вызванное воздействием внешнего поля (например, лазерного импульса), лежит именно в аттосекундном диапазоне.

Ключевые моменты:

  • Фотоэффект: высвобождение электронов под действием фотонов происходит за несколько десятков аттосекунд.
  • Туннельный эффект: квантовое туннелирование электронов через энергетический барьер фиксируется на аттосекундных временных шкалах.
  • Внутримолекулярная миграция электронов: перенос электронного заряда внутри молекулы также протекает за сотни аттосекунд.

Эти процессы невозможно наблюдать при помощи традиционных измерительных методов, использующих более длинные временные интервалы. Для их изучения используются ультракороткие лазерные импульсы и современные аттосекундные технологии.

Аттосекундные лазеры и методы измерений

Создание лазеров, генерирующих импульсы длительностью менее одной фемтосекунды, стало прорывом для аттосекундной физики. Основные подходы:

  1. Высокочастотная гармоническая генерация (HHG):

    • Преобразование инфракрасного лазерного излучения в высокочастотные гармоники.
    • Формирование последовательности импульсов длительностью десятков аттосекунд.

  2. Спектроскопия времени жизни электронов:

    • Измерение задержки выхода электронов при фотоэффекте.
    • Позволяет реконструировать динамику электронов с аттосекундной точностью.

  3. Помехо-интерференционные методы:

    • Использование интерференции лазерных импульсов для повышения временного разрешения.
    • Позволяет наблюдать не только статические состояния, но и динамические переходы электронов.

Применение аттосекундной физики

Аттосекундные технологии открывают возможности для изучения процессов, которые ранее считались недоступными:

  • Химическая кинетика: отслеживание движения электронов при химических реакциях.
  • Нанотехнологии: контроль электронных процессов в наноструктурах и квантовых точках.
  • Фундаментальная физика: изучение квантовой динамики, туннелирования и коррелированных электронных состояний.
  • Материаловедение: исследование ультрабыстрых процессов в полупроводниках и сверхпроводниках.

Использование аттосекундных импульсов позволяет не только измерять, но и управлять электронными процессами, открывая путь к новым способам контроля химических и физических систем на атомарном уровне.

Оглавление