MON KS odobrio novi naučno-istraživački projekt
Naziv projekta: Novi metodi generacije mekih X zraka i rasijanih elektrona pomoću kompleksnih laserskih polja
Voditelj projekta: akademik prof. dr. Dejan Milošević
Vrijednost projekta: 75.700,00 KM.
Opis projekta
Nakon što su otkriveni (Röntgen, 1895), X zraci su omogućili revoluciju u našem razumijevanju materije. Talasna dužina X zraka je mala tako da su oni pogodni za analizu strukture materije na atomskoj skali. Veliki naučni značaj X zraka se može najbolje razumjeti ako se uzme u obzir podatak da je čak 25 Nobelovih nagrada u fizici, hemiji i medicini dodijeljeno za istraživanja vezana za X zrake. Kao izvori X zraka se u današnje vrijeme najčešće koriste sinhrotroni, na akceleratorima čestica bazirani izvori X zraka i laseri sa slobodnim elektronima koji rade u režimu X zraka (XFEL). U razvijenim zemljama svijeta postoji desetine ovakvih velikih postrojenja. Paralelno sa razvojem izvora X zraka baziranih na akceleratorima, u fizici jakih laserskih polja otkriven je metod generacije X zraka pomoću malih uređaja koji se mogu smjestiti na laboratorijski stol. Radi se o tzv. procesu generacije viših harmonika (engleski: high-order harmonic generation – HHG). Kada se atomski gas izloži jakom laserskom polju dolazi do jonizacije atoma i oslobođeni elektroni se, ubrzani laserskim poljem, udaljavaju od matičnog jona. Pošto je lasersko polje oscilatorno ono može da vrati te elektrone nazad do matičnog jona. Rekombinacijom elektrona i matičnog jona energija akumulirana tokom kretanja u laserskom polju se oslobađa u vidu ultrakratkog impulsa emitovanih viših harmonika laserskog polja. Red tih harmonika može biti više stotina, tako da je emitovano zračenje u ekstremno ultraljubičastom području (XUV). Posebno je značajno što je to zračenje koherentno i ultrakratko, tako da ima bolje prostorno-vremenske karakteristike nego ono dobijeno u pomenutim velikim akceleratorima. Ovo je posebno važno za novu oblast nauke – atonauku (attoscience) koja proučava atomske procese na njihovoj prirodnoj vremenskoj skali (1 atosekunda je jednaka 10-18 sekundi). Dakle, jako je značajno naći metode povećanja energije fotona emitovanih u HHG procesu, tako da oni obuhvate područje mekih X zraka.
Bitno je naglasiti da se za HHG koristi linearno polarizovano lasersko polje tako da su emitovani viši harmonici također linearno polarizovani. Međutim, cirkularno polarizovana svjetlost je značajna zato što omogućava da se razlikuju različite kiralne forme. Gotovo sve biomolekule, kao i mnoge supstance koje interaguju sa njima, ispoljavaju cirkularni dihroizam, tj. kiralni materijali apsorbuju lijevo i desno polarizovanu svjetlost u različitim iznosima. Posebno su važni cirkularno polarizovani X zraci sa energijama fotona 100-1000 elektronvolti (eV). Npr. poznat je tzv. „vodeni prozor“ („water window“) 290-530 eV koji omogućava in-vivo analizu organskih materijala. Treba spomenuti i tzv. L-granice (L-edges) mangana (640 eV) i bakra (930 eV), što je bitno u nauci o materijalima, npr. visokotemperaturnim superprovodnicima itd. Trenutno se takvi X zraci mogu dobiti samo u velikim postrojenjima tipa sinhrotrona.
Pored X zraka (fotona) i elektroni su imali centralnu ulogu u naučnoj i tehnološkoj revoluciji koja se desila u 20. vijeku. U posljednjoj deceniji napredak nauke i tehnologije omogućio je da se analizira dinamika kretanja elektrona u atomima, molekulima i nanostrukturama. Npr. u procesu laserskim poljem indukovane difrakcije elektrona (engleski: Laser Induced Electron Diffraction – LIED), elektron, oslobođen laserskim poljem, pri povratku matičnom jonu se ne rekombinuje sa njim kao u HHG procesu, već se rasijava na njemu. Mjerenjem difrakcione slike takvih elektrona dobijaju se informacije o strukturi atoma ili molekula, kao i o dinamici procesa koji se u njima odvijaju. Pošto je izvor difraktovanih elektrona sam atom a ne neki vanjski izvor kao što je to slučaj kod elektronskih mikroskopa, LIED omogućava dobijanje informacija koje su nedostupne drugim metodima. Potrebno je naći metode kojima bi se povećala energija elektrona u LIED procesu i tako povećala primjenljivost ove metode.
Tema istraživanja projekta je potraga za novim metodima generacije mekih X zraka i rasijanjih elektrona u procesu interakcije jakog laserskog polja sa atomima. Voditelj projekta i njegova naučnoistraživačka grupa SAMOPHYS (Sarajevo Atomic, Molecular and Optical Physics), koja djeluje na Katedri za atomsku, molekularnu i optičku fiziku na Odsjeku za fiziku Prirodno-matematičkog fakulteta Univerziteta u Sarajevu, ima višedecenijsko iskustvo u istraživanju ovih procesa.
Nova ideja u predloženom istraživanju je da se umjesto linearno polarizovanog monohromatskog laserskog polja istraže mogućnosti koje daju kompleksnija polja. Konkretno, ispitat će se bihromatska polja koja se sastoje od dvije komponente koje mogu imati različite polarizacije. Poseban naglasak će biti na bicirkularnom polju koje se sastoji od dva kontrarotirajuća cirkularna polja različitih frekvencija i na polju sa ortogonalnim komponentama (engleski: orthogonal two-color – OTC). Posebno će se ispitati polja sa odnosom frekvencija 2:1 i 3:1, koja se u praksi mogu lako realizovati. Naglasak će biti na ispitivanju HHG procesa i procesa rasijanja jonizovanog elektrona na matičnom jonu (tzv. jonizacija iznad praga višeg reda; engleski: High-order Above-Threshold Ionization – HATI). Ovi procesi imaju veliki značaj, kako sa stanovišta fundamentalnih naučnih otkrića, tako i za praktične primjene. Zavisno od rezultata ispitat će se i analogni procesi na molekulima, kao i drugi laserom indukovani ili asistirani procesi. Poseban naglasak će biti na ostvarivanju što većih energija emitovanih X zraka i elektrona. Očekujemo da će se to moći ostvariti povećanjem talasne dužine korištenog laserskog zračenja. Pored toga, ispitat će se polarizacione osobine emitovanog zračenja i mogućnost emitovanja eliptično ili cirkularno polarizovanih zraka.