무술의 세계는 오직 빠르다.
때때로 우리는 "심장 박동의 시간"으로 묘사되는 매우 짧은 시간을 넣을 것이며, 심장 박동의 지속 시간은 10의 18제곱초입니다.
스톱모션 사진과 유사한 최근 실험에서 미국과 독일의 과학자 팀은 처음으로 실시간으로 액체 물 속에서 움직이는 전자의 "동결 프레임"을 포착했으며 그 결과는 사이언스 저널에 게재되었습니다.
2023년 10월 3일 스웨덴 스톡홀름에서 열린 2023년 노벨 물리학상 발표에서 심사위원단 전문가들이 2023년 노벨 물리학상 수상자들의 연구 결과를 설명하고 있다.
전문가들에 따르면, 이번 결과는 이전에 엑스레이로는 얻을 수 없었던 시간 규모로 액체 내 분자의 전자 구조에 대한 창을 제공함으로써 실험 물리학의 큰 발전을 의미합니다. 이전에 과학자들은 피코초(1초=1조 피코초) 시간 단위로만 전자 운동을 확인할 수 있었습니다. 이제 아토초 단위로 목표물에 충돌하는 X선의 전자 반응을 연구할 수 있는 능력을 통해 연구자들은 이전 방법보다 백만 배 더 빠르게 방사선 유발 화학 반응을 조사할 수 있습니다.
모든 징후는 아토초 레이저가 전자공학의 신비한 세계를 여는 열쇠가 될 수 있다는 것입니다.
"아토초"란 무엇입니까?
평범한 사람들에게 아토초는 매우 이상한 개념이다.
실제로 전국시대 중국의 유명한 사상가인 고신은 "위아래 사면을 말하고 고대와 현대는 제우스를 말했다"는 단순한 공간과 시간관을 제시했다. 오늘날까지도 물리학 연구의 최전선에서 공간과 시간은 여전히 가장 중요하고 근본적인 두 가지 차원입니다.
인간의 감각으로는 물체가 빠르게 움직일 때 그 이미지가 흐릿해지고 겹쳐지며 아주 짧은 시간에 일어나는 변화를 관찰할 수 없습니다. 따라서 과학자들이 이러한 매우 짧은 순간을 포착하거나 묘사하기 위해 보다 정확한 "시간 창"을 개발하는 것이 중요합니다.
19세기에는 물리학에서 많은 이야기와 논쟁이 있었던 질문이 있었습니다. 말이 달릴 때 네 다리가 모두 동시에 땅에서 떨어지는가?
미국 기업가인 Leland Stanford는 이 질문에 매우 관심이 있었습니다. 이 추측을 검증하기 위해 그는 유명한 사진가 Edvard Muybridge에게 접근했습니다. 그 당시에는 비디오 기능이 아직 탄생하지 않았으며, 카메라 셔터의 응답 시간은 15초, 때로는 최대 1분이었습니다.
말은 카메라 셔터를 잡기 위해 속도를 늦추지 않았고, 달그락거리는 발굽 소리는 이 가설을 검증하는 데 가장 큰 장애물이었습니다. Edvard Maibridge는 쉽게 포기하지 않았습니다. 그는 카메라 셔터 디자인을 개선할 뿐만 아니라 런웨이에 12대의 카메라와 메커니즘을 배치하려는 기발한 아이디어를 가지고 있었습니다. 말이 카메라에 접근할 때마다 메커니즘이 작동되어 사진이 촬영됩니다. 결국 그는 말 달리기의 전 과정인 12장의 사진을 하나로 묶었다.
사람들은 연결된 사진을 보고 곧 다음 질문에 대한 답을 찾았습니다. 말이 달릴 때 실제로 순간을 포착할 수 있습니다. 말의 네 다리는 동시에 땅에서 떠납니다.
2023년 10월 3일, 스웨덴 왕립과학원은 "물체 역학 연구를 위한 아토초 광 펄스 생성 실험 방법"으로 피에르 아고스티니(Pierre Agostini), 페렌츠 크라우스(Ferenc Krauss), 안네 루일리에(Anne Lhuillier)에게 그 해의 노벨 물리학상을 수여했다고 발표했습니다. 물질 속의 전자."
"이제 우리는 전자 세계의 문을 열 수 있습니다. 아토초 물리학은 우리에게 전자 제어 메커니즘을 이해할 수 있는 기회를 제공했습니다. 다음 단계는 이를 활용하는 것입니다." 노벨 물리학 위원회 위원장인 에바 올슨(Eva Olson)은 이렇게 말합니다.
과학자들이 전자의 세계에 관심을 기울였을 때 위치와 에너지의 변화율은 1~수백 아토초 사이에서 다양하다는 사실을 발견했습니다. 여기서 1아토초는 10억분의 1초입니다. 아토초 펄스광 기술은 현재 인류가 이용할 수 있는 가장 빠른 시간 척도이며, 마치 자의 척도가 미세할수록 측정 가능한 것의 정밀도가 높아지는 것과 같습니다.
중국 과학기술대학교 인문사회과학부 과학기술커뮤니케이션학과 부주임인 위안란펑(Yuan Lanfeng)은 아토초 광 펄스는 고속 카메라의 원리로 이해될 수 있으며, 사람의 움직임 과정의 멋진 순간을 포착하려면 반응 속도가 빠른 카메라가 필요합니다. 아토초 광 펄스는 미세한 반응 연구에서 "고속 카메라"입니다.
과거에는 레이저 펄스의 시간 제한이 '펨토초'로 사람이 원자를 볼 수 있을 만큼 충분했지만, 전자의 경우 '펨토초'의 시간 분해능이 너무 조악해서 이 규모에 따르면 모자이크 같은 효과. 펨토초 단위의 일관된 광 펄스 진행
펨토초에서 아토초까지 간섭성 광 펄스의 진행은 시간 규모의 단순한 진행일 뿐만 아니라 더 중요하게는 원자와 분자의 운동에서부터 원자 내부까지 물질의 구조를 연구하는 사람들의 능력을 향상시킵니다. 기초 물리학 연구에 큰 혁명을 가져올 전자의 운동 및 상관 관계를 조사합니다.
아토초는 일반 사람들에게 무엇을 가져다 줄까요?
1999년 어느 날, 캘리포니아 공과대학 교수인 아메드 자비에르(Ahmed Xavier)는 자신의 발견으로 노벨 화학상을 수상했습니다. 1980년대 자비에르의 연구는 레이저 빔을 사용해 전이 상태에 있는 원자의 진동을 촬영함으로써 과학자들이 화학 반응 과정에서 원자와 분자를 '슬로우 모션'으로 관찰하는 데 도움이 되었고, 이를 통해 물질의 성질과 구조를 연구할 수 있었습니다. 전이 상태. 이러한 이유로 자비에르는 "펨토초 화학의 아버지"라고도 알려져 있습니다.
그 이후로 과학자들은 레이저가 번개처럼 찰나의 순간을 포착할 수 있다는 사실을 깨닫게 되었습니다. 이 발견은 일련의 파괴적인 연구에 대한 이론적 기초를 제공했습니다.
오늘날 이 레이저의 속도는 수천 배나 업그레이드되어 펨토초에서 아토초로의 급격한 변화를 성공적으로 구현했습니다.
요즘 사람들은 펨토초 레이저를 언급할 때 펨토초 레이저 근시 수술로 대표되는 다양한 응용 사례를 떠올리는 경우가 많습니다. 그리고 아토초 레이저에 관해서는 이 용어를 일반 사람들의 생산적인 삶과 연결시키는 것이 어려운 것 같습니다.
Yuan Lanfeng은 "a-second 레이저는 현재 많이 사용되지 않고 응용이 이제 막 시작되었으며 여전히 기초 연구에만 머물고 있습니다"라고 솔직하게 말했습니다. 그러나 이것이 아토초 광 펄스가 응용 가능성이 없다는 것을 의미하지는 않습니다. "그것은 문을 열지만 이 문 뒤에 있는 것은 여전히 우리가 깊이 탐구해야 합니다." 그는 말했다.
그럼 저 문 뒤에는 무엇이 있나요?
2023년 11월 5일 제6회 박람회 의료기기 및 헬스케어 부문 메드트로닉 부스에서 촬영된 펄스장 절제 시스템
"전자 운동은 빛을 생성할 뿐만 아니라 생체 분자의 구조와 생명체의 기능을 변화시키는 화학 결합의 형성 및 파괴를 담당하며 정보를 가능한 한 빨리 처리합니다. ...... 오늘 우리는 아토초 광 펄스를 사용하여 전자, 원자 및 분자 프로세스와 관련된 미시적 프로세스를 더 잘 이해하고 이러한 프로세스가 거시적 세계에 어떤 영향을 미치는지 알아낼 수 있습니다." 앞서 페렌츠 크라우스(Ferenc Krauss)는 물리학 부문 볼프상(Wolf Prize)을 수상한 후 이러한 방식으로 아토초 물리학 응용의 가치를 언급했습니다.
반면에 Eva Olson은 아토초 물리학이 전자 제어 메커니즘을 이해할 수 있는 기회를 제공하여 전자 정보 산업과 의학 분야에 잠재적으로 응용할 수 있는 길을 열어준다고 말했습니다.
중국과학원 물리학연구소 연구원인 Wei Zhiyi는 이 기술이 초전도성, 나노재료, 광전지 산업, 제약, 레이저 의학 및 기타 분야와 결합되어 구조에 대한 보다 심층적인 이해를 촉진할 수 있다고 믿습니다. 이는 인류에 의한 물질의 관련 혁명적 발전으로 이어질 것입니다.
의심할 여지 없이, 현재 아토초 물리학의 적용은 여전히 일부 사람들의 상상과는 거리가 멀지만 적용 시나리오는 매우 광범위합니다.
이는 인류에게 미세한 세계를 연구할 수 있는 한 쌍의 "지적인 눈"을 제공합니다.
지원을 통해 많은 미세한 프로세스는 더 이상 확인을 위해 "상황적 증거"가 필요하지 않지만 직접 관찰할 수 있습니다. 아토초 레이저는 화학 반응, 분자 규모와 같은 다양한 고속 모션 프로세스를 촬영하는 데 사용할 수 있습니다. 운동과 원자 규모의 운동.
아토초 레이저로 화학 반응을 촬영하면 과학자들이 반응 메커니즘을 더 잘 이해하고 화학 공정을 더욱 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 아토초 레이저로 분자와 원자의 움직임을 사진으로 촬영하면 재료 과학과 생명과학 연구에 중요한 상호 작용과 운동 과정을 밝힐 수 있습니다.
예를 들어 생물의학 분야에서 아토초 펄스의 고해상도 이미징 기술은 질병의 조기 진단 및 치료를 향상시키고 암, 신경 질환 및 기타 주요 의학적 과제 연구에 새로운 돌파구를 제공할 것으로 기대됩니다.
Ferenc Krauss 팀은 또한 펨토초와 아토초 기술을 사용하여 혈액 샘플을 분석하고 그 안의 작은 변화를 감지하려고 시도하는 것으로 이해됩니다. 그들은 이러한 변화가 질병의 초기 단계에서 질병을 명확하게 진단할 수 있을 만큼 구체적인지 분석하고 있으며, 이 기술은 암 및 기타 어려운 질병 연구에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다.
'아토초 시대' 가속화?
2021년 사이언스(Science) 매거진은 "세계에서 가장 최첨단인 과학 문제 125개"를 발표했는데, 그 중 10개 이상은 초고속 과학으로 해결해야 합니다. 아토초 펄스의 출현은 과학 및 응용 연구의 여러 분야에서 보다 독창적인 혁신을 가져올 것으로 예상됩니다.
아토초 레이저는 자연이 준 선물이 아니라 인간이 만든 기적입니다.
프랑스 물리학자 Anne Lhuillier는 아토초의 세계를 열어볼 수 있는 도구를 최초로 발견했습니다. 1987년에 그녀가 가스 이온화 실험을 하고 있었는데, 파장 1064나노미터의 레이저 빛을 아르곤과 여러 가지 희가스로 변환했는데, 그 가스는 이전 실험과 다른 색을 띠는 것으로 나타났다.
그 후 그녀는 비활성 가스에 대한 강력한 레이저 조사에 의해 생성되는 고조파 현상을 발견하는 주요 논문을 발표하고 스펙트럼 폭이 아토초 단위의 펄스를 지원할 수 있는 고조파의 전형적인 스펙트럼 구조를 얻었습니다. 레이저 펄스를 아토초 단위로 돌파하기 위한 전제 조건. 그 이후로 그녀의 연구 경력과 아토초 레이저는 밀접하게 얽혀 있었고, 16년 후 그녀는 연구팀을 이끌고 170아토초의 가장 짧은 레이저 펄스에 대한 세계 기록을 세웠습니다.
그녀와 함께 노벨 물리학상을 수상한 다른 두 과학자도 "아토초 건물"에 추가했습니다. 헝가리인 페렌츠 크라우스(Ferenc Kraus)는 2001년에 연구팀을 이끌고 최초의 아토초 광 펄스를 생성 및 측정했으며 이를 사용하여 다음을 포착했습니다. 원자 내부의 전자 이동으로 아토초 물리학이 탄생했습니다. 게다가 그의 팀은 650아토초 동안 지속되는 펄스를 분리하는 데 성공했는데, 이는 과학자들이 원자에서 전자가 분리되는 현상을 처음으로 성공적으로 추적한 것입니다. 강력장 레이저와 원자의 상호작용 분야의 선두주자인 프랑스인 피에르 아고스티니(Pierre Agostini)와 그의 팀은 처음으로 아토초 광 펄스를 생성 및 측정하고 이를 사용하여 원자 내부의 전자 운동을 포착함으로써 아토초 물리학을 개척했습니다.
오늘날 더 많은 과학자들이 세계 여러 지역에서 해당 분야의 최고 자리를 놓고 경쟁하고 있습니다.
실험실에서는 유익한 결과가 자주 나옵니다. 2022년에는 미시간 대학과 독일 레겐스부르크 대학의 연구자들이 협력하여 지금까지 가장 빠른 속도인 수백 아토초 이내의 전자 움직임을 포착했습니다.
같은 해, 일본 RIKEN 과학 화학 연구소와 도쿄 대학의 첨단 포토닉스 센터의 연구진 팀은 아토초 펄스에서 발생하는 광학 간섭으로 인해 발생하는 줄무늬를 처리하기 위한 새로운 유형의 간섭계를 개발하기 위해 협력했습니다. 물질의 전자 상태에 대한 양자 간섭. 그들은 헬륨 원자 샘플을 사용한 실험을 통해 고조파 펄스의 생성 후 분할을 통해 간섭계 체계의 타당성을 입증했습니다.
또한 아토초 레이저 시설을 위한 국제 건설 및 경쟁이 시작되었습니다. 유럽 연합은 노벨상 수상 물리학자 제라르 무루(Gérard Mourou) 등의 주창으로 헝가리에서 유럽 극광 시설-알토초 광원(ELI-ALPS) 건설을 주도했으며, 다음과 같은 국제적으로 유명한 기업의 건설을 추진해 왔습니다. Fastlite, Active Fiber, Light Conversion 등이 있습니다. Fastlite, Active Fiber, Light Conversion 및 기타 국제적으로 유명한 제품 반복 및 업그레이드와 같은 레이저 기술 기업인 이러한 차세대 레이저 기술은 첨단 제조, 국방 과학 기술 및 기타 분야에서 중요한 역할을 할 것입니다.
중국에서는 중국과학원 물리학연구소, 광둥성 둥관 송산호 재료연구소 등 관련 과학 연구 단위에서 아토초 광원 인프라 구축을 대규모로 진행하고 있다. 아토세컨드 과학센터. 본 센터가 완공되면 국제적으로 선도적인 종합지표를 달성할 것으로 예상된다.
