Taip buvo galima išmatuoti ir greitesnius pokyčius, tarkim kelionės ar akmens kritimo nuo uolos trukmę. Vis tik, kadangi tokių matavimų tikslumą ribojo ir žmogaus reakcijos greitis, ilgą laiką trumpesnių nei viena dešimtoji sekundės (0,1 s) reiškinių išmatuoti nebuvo įmanoma, o ir nelabai reikėjo. Situacija kardinaliai pasikeitė pradėjus vystytis šiuolaikiniam mokslui ir technologijoms, kai paaiškėjo, jog daugelio fizikinių, cheminių ir net biologinių pokyčių greitis yra daug didesnis nei įmanoma stebėti plika akimi.
Todėl buvo kuriami įvairūs tam skirti mechaniniai prietaisai. Vienas žinomiausių bandymų registruoti greitą judėjimą – šuoliuojančio žirgo judesius – buvo atliktas 1878 metais, kai Edvardas Džeimsas Maibridžas, naudodamas 12 fotoaparatų ir specialiai sukurtas itin greitas mechanines sklendes, sugebėjo įrodyti, kad tam tikrais laiko momentais visos keturios greitai šuoliuojančio žirgo kojos visiškai neliečia žemės.
Jo naudotos sklendės užtikrindavo maždaug dviejų milisekundžių ekspozicijos trukmę, arba 500 kadrų per sekundę, taigi, toks tuo metu buvo galimas greitai vykstančių pokyčių matavimo tikslumas. Per porą dešimtmečių Maibridžas ir kiti išradėjai savo aparatus gerokai patobulino ir jau galėjo fotografuoti iki 10 000 kadrų per sekundę greičiu, t.y., vienos dešimtatūkstantosios sekundės tikslumu.
Ir tai dar nebuvo riba – apie 1940 uosius metus buvo patentuotas fotoaparatas su besisukančiu veidrodėliu, įgalinančiu fotografuoti iki milijono kadrų per sekundę greičiu, taigi, ir vienos milijoninės sekundės dalies (mikrosekundės) tikslumu.
Tuo metu jau buvo gana gerai išvystytos ar sparčiai vystomos tokios fizikos sritys kaip mechanika, optika, elektra ir net branduolio fizika, kurių pažanga ir tolesnis vystymasis dažnai buvo tampriai susijęs su trumpų laiko intervalų ar greitų pokyčių matavimais. Tačiau aukščiau minėtų fotografinių-mechaninių prietaisų naudojimas moksliniuose tyrimuose buvo gana ribotas dėl jų sudėtingumo ir mažo patikimumo.
Tikras proveržis greitų reiškinių matavimo technologijose įvyko beveik iškart po lazerio išradimo, už kurį 1964 metais JAV mokslinikas C. Townes bei Rusijos mokslinkai N. Basov ir A. Prochorov pelnė Nobelio premiją.
Labai greitai paaiškėjo, jog naudojant šį prietaisą gana lengvai galima generuoti mikrosekundžių ir
net nanosekundžių trukmės impulsus, t.y., tūkstantį kartų trumpesnius impulsus nei galima trumpiausia mechaninių sklendžių ekspozicija (2 pav.). Be to, lazerinės technologijos labai stipriai supaprastino iki tol buvusius labai sudėtingus sparčių reiškinių tyrimus. Toliau –dar gražiau: 1964 metais buvo atrastas naujas reiškinys – lazerio modų sinchronizacija –kurios metu lazeris automatiškai generuodavo dar tūkstantį kartų trumpesnius, taip vadinamus pikosekundinius impulsus, kurių trukmė buvo kelios dešimtys pikosekundžių (pikosekundė –tai viena milijoninė vienos vienos milijoninės sekundės dalis). Nuo to laiko iki šių dienų daugybė pasaulio mokslininkų stengiasi gauti kaip galima mažesnės trukmės lazerio impulsus ir, reikia pasakyti, tai jiems sekasi. Taip, nuo 1964 iki 1986 metų lazeriais generuojamų impulsų trukmė buvo sumažinta nuo 10 ikosekundžių (ps) iki 6 femtosekundžių (fs), t.y., dar beveik 1000 kartų (femtosekundė yra
1000 kartų trumpesnė nei pikosekundė).
Reikia pastebėti, kad maždaug nuo 1986 metų lazerio impulsų labiau trumpinti, naudojant modų
sinchronizacijos reiškinį pačiuose lazeriuose beveik nebepavykdavo, todėl reikėjo atrasti naujas
tecnologijas. Ir jos buvo atrastos: buvo pasiūlytas taip vadinamas faziškai moduliuotų lazerio impulsų stiprinimo metodas, leidžiantis beveik 1000 kartų padidinti femtosekundinių lazerio impulsų energiją. Už šio metodo atradimą 2018 m profesoriai Donna Strickland ir Gerard Morou buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija. Šio atradimo, o kartu ir ultratrumpų šviesos impulsų svarbą parodo ir tai, kad dar 1999 metais profesorius Ahmed Zewail buvo apdovanotas Nobelio chemijos premija už spektrometro, galinčio femtosekundžių tikslumu registruoti cheminių reakcijų metu atsirandančias ir sparčiai kintančias molekulių būsenas, atradimą.
Be to, kas ne mažiau svarbu, lengvai pasiekiamos žymiai didesnės lazerio impulsų
energijos ir labai maža lazerio generuojamų impulsų trukmė leido gauti itin dideles momentines šviesos galias (pavyzdžiui, kelių dešimčių milidžaulių energijos ir 6 fs trukmės impulso maksimali momentinė galia yra maždaug 3000 GW (gigavatų), kas dažnai viršija didelės atominės elektrinės galią). Sufokusavus, t.y., papildomai sukoncentravus šią galią erdvėje, pasiekiami tokie šviesos intensyvumai, kurių nė viena medžiaga negali ištverti ir yra suardoma, o tiksliau jonizuojama, kai elektronai atplėšiami nuo atomų ar molekulių. Kadangi šie jonizuojantys impulsai yra labai trumpi, atplėšti elektronai nespėja nutolti nuo taip susidariusių nejudrių jonų ir, šviesos poveikiui pasibaigus, dažnai grįžta atgal į savo orbitas.
Sakoma, kad tuo metu vyksta medžiagos rekombinacija, tačiau ir jonizacijos, ir rekombinacijos metu vyksta visa eilė naujų fizikinių reiškinių. Svarbiausi šių reiškinių – aukštos eilės harmonikų bei terahercų dažnio spinduliuotės generavimas. Aukštų eilių harmonikų bangos ilgiai paprastai patenka į vakuuminio ultravioleto spektro sritį, o terahercų dažnio spinduliuotės –visai į kitą elektromagnetinių bangų spektro pusę: tarp radijo bangų ir tolimojo infraraudonojo spektro sričių.
Įdomiausia tai, kad taip generuojamų aukštesnių eilių harmonikų impulsų trukmė yra dar apie 100 kartų mažesnė nei jonizaciją sukeliančių femtosekundinių lazerio impulsų.
Dabartiniu metu tokiu būdu jau generuojami net kelių dešimčių atosekundžių trukmės impulsai. Čia reiktų priminti, kad viena atosekundė (as) yra tūkstantį kartų trumpesnė nei femtosekundė arba lygi 0, 000 000 000 000 000 001 s. Tokius mažus laiko intervalus labai sunku suvokti, todėl fizikai sugalvojo tokį palyginimą: pusę sekundės sudaro tiek pat atosekundžių, kiek sekundžių sudaro Visatos amžių nuo pat Didžiojo sprogimo iki dabarties (apie 13,7 milijardų metų).
Taip pat sunku ir pervertinti atosekundinių šviesos impulsų svarbą šiuolaikinei fizikai ir chemijai, nes elektronų apsisukimo apie atomus periodas kaip tik ir yra atosekundžių eilės (pavyzdžiui, elektronas apsisuka apie vandenilio atomą per maždaug 150 as), taigi, ši technologija jau artimiausioje ateityje leis tiesiogiai tyrinėti ir valdyti ne tik chemines reakcijas, vykstančias molekulėse, bet ir atskirų atomų būsenas. Ir beveik neabejotinai per artimiausius dešimt metų viena ar kelios mokslininkų grupės bus apdovanotos Nobelio premija už atosekundinių technologijų vystymą ar naudojant šias technologijas atliktus ultrasparčių procesų atomuose tyrimus.
Todėl šiuo metu žymiausios pasaulio laboratorijos ir mokslininkai lenktyniauja, kas sukurs trumpesnius atosekundinius impulsus ar pademonstruos naujas šių impulsų taikymo technologijas. Tai nėra paprasta, nes ši mokslo sritis vis dar vystosi, nėra tinkamos įrangos arba ji labai sudėtinga ir brangi, todėl labai sunku teorines prielaidas patikrinti eksperimentiškai. Net pats atosekundinių impulsų generacijos mechanizmas dar nėra iki galo ištirtas, nes, kaip jau minėta, jo metu vyksta atomų ar molekulių jonizacija, o šis reiškinys kartais vyksta dar greičiau nei pačių atosekundinių impulsų generacija.
Šiuo metu eksperimentiškai atomų jonizaciją galima tirti, registruojant jos metu atsirandančių elektronų greitį ir trajektorijas, tačiau praktiniu požiūriu šis metodas yra labai sudėtingas (būtinas vakuumas, reikalinga specifinė ir brangi elektronų greitį ir kitus jų parametrus registruojanti aparatūra, sudėtinga gautų duomenų interpretacija) ir nelabai patikimas, tačiau neseniai tarptautinė mokslininkų grupė (iš 4 šalių ir net 11 mokslinių institucijų) pasiūlė daug paprastesnį
metodą: pasirodo, jonizacijos metu atomą paliekančius elektronus pilnai gali charakterizuoti kiti kartu su atosekundžių generavimu vykstantys reiškiniai –jau minėta THz dažnio spinduliuotės generacija ir paprasta trečiosios optinės harmonikos generacija, kai sąveikaujančių su plazma femtosekundinių lazerio impulsų dažnis trigubinasi.
Buvo parodyta, jog esant tam tikroms sąlygoms šių spinduliuočių poliarizacijos būsenose
yra užšifruota visa informacija apie atomų jonizaciją tuo metu, kai generuojami atosekundinės trukmės šviesos impulsai. Taigi, naujasis metodas turėtų žymiai palengvinti atosekundinių impulsų generacijos analizę ir paspartinti ultrasparčiųjų reiškinių tyrimus. Šio naujai pasiūlyto metodo svarbą patvirtina ir faktas, jog neseniai šiuos tyrimus aprašantis mokslinis straipsnis, tarp kurio bendraautorių yra ir Virgilijus Vaičaitis, Vilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centro vyriausiasis mokslo darbuotojas, neseniai buvo priimtas publikuoti prestižiniame žurnale „Nature physics“.
Daugiau informacijos apie šią publikaciją galima rasti čia: https://www.nature.com/articles/s41567-022-01505-2
