Jedna od važnih karakteristika ljudske vrste je znatiželja i potreba za razumijevanjem svijeta u kojem živi. To je dovelo do modernih civilizacija koje počivaju na rezultatima fundamentalnih istraživanja u fizici, kemiji, biologiji i matematici. Jedan od tih rezultata je otkriće stimulirane emisije koherentnog zračenja na kojem su razvijeni uređaji koje zovemo laseri.

Kada su Charles H. Townes, Nikolaj G. Basov i Aleksandr M. Prohorov dobili Nobelovu nagradu za otkriće i razvoj lasera 1964. godine, nitko nije ni slutio koliko će laseri utjecati na razvoj znanosti i mnogobrojnih tehnologija u proizvodnji, metrologiji, medicini i mnogim drugim oblastima. Laseri su omogućili mjerenja s donedavno nezamislivom preciznošću. Sjajan primjer za to je mjerenje koje je dokazalo gravitacijske valove koji nastaju oscilacijom prostor-vremena zbog sudara dviju crnih rupa ili drugih ekstremno masivnih svemirskih objekata. Te valove je predvidio Einstein u općoj teoriji relativnosti prije više od sto godina, ali je tek relativno nedavni razvoj instrumenta LIGO baziranog na laserskoj interferometriji omogućio njihovu detekciju. Preciznost mjerenja je fascinantna jer su pomaci koje se treba detektirati otprilike 10^-20 m. To je jedan metar podijeljen na 100 milijardi milijardi. Za to je 2017. dodijeljena Nobelova nagrada.

Iduće godine Nobelova nagrada dodijeljena je za otkriće i razvoj tehnologije dobivanja femtosekundnih pulseva svjetlosti. Jedna femtosekunda je 10^-15 sekundi, odnosno jedna sekunda podijeljena na milijun milijardi dijelova.

Atosekundna spektroskopija omogućila je mnogobrojne prodore u fundamentalnim istraživanjima. Jako se puno radi na primjeni, posebno u medicini, kako bi se omogućilo da se sa znatno manjim uređajima vrše ispitivanja

Sekunda je u Međunarodnom sustavu jedinica definirana kao 9.192.631.770 ciklusa oscilacije elektrona između dva definirana energetska nivoa atoma cezija 138. Iz ovog podatka slijedi da jedan ciklus traje otprilike 10^-10 sekundi. Cezij je izabran zbog visoke stabilnosti i kao referenca je jednako vrijedan bilo gdje u poznatom svemiru.

Femtosekundna spektroskopija omogućila je precizno praćenje ponašanja atoma u raznim vrstama materijala, od plinova do krutina. Oscilacije kemijskih veza su reda veličine 10^-13 sekundi, tako da ih se femtosekundnim pulsevima može dobro pratiti.

Kemijske veze tvore elektroni. Oni se kreću ogromnim brzinama, tako da se femtosekundna spektroskopija ne može koristiti za praćenje njihove dinamike. Kada bi se to moglo, onda bi nam bilo moguće vidjeti što se s elektronskim oblakom neke molekule dešava kada dođe u interakciju s drugom molekulom, svjetlom ili nekom drugom pobudom. Bilo bi nam također omogućeno da manipulacijom elektronima stvaramo kemijske veze koje se na standardni način ne mogu proizvesti. Mogli bismo promatrati ponašanje elektrona u zdravim tkivima i onima napadnutim karcinomom i tako detektirati bolest u vrlo ranoj fazi.

No problem je da za oslikavanje, tj. praćenje kretanja elektrona moramo imati mogućnost osvjetljavanja pulsevima u atosekundnom području. Jedna atosekunda (as) je tisućiti dio jedne femtosekunde odnosno 10^-18 s. Za usporedbu, elektronu treba oko 200 as da napravi krug oko jezgre ili uzmimo vrijeme od 10^-17 sekundi koje je potrebno da elektron koji svjetlost visoke energije izbaci iz atoma sasvim napusti atom.

Razvoj atosekundne spektroskopije počeo je 1987., kada je Anne L'Huillier pokazala da prolazom snopa infracrvenog lasera kroz komoru s plemenitim plinom neonom dolazi do stvaranja novih snopova čija frekvencija je višekratnik frekvencije osnovnog laserskog snopa.

Dakle, imamo sada nekoliko valova koji su viši harmonici osnovnog vala jer je lasersko zračenje kao i svako drugo elektromagnetski val. Običnim rječnikom, osnovno zračenje niske energije pretvorilo se u zračenje visoke energije. Pogodnom manipulacijom mogu se svi ti valovi urediti tako da im se maksimumi intenziteta poklope. Važno je znati da električno polje vezano uz val oscilira, pri čemu se izmjenjuju maksimumi suprotnog predznaka. Nastaje novi val vrlo visoke energije koji prolazeći svojim maksimumom kraj atoma neona može izbaciti elektron iz atoma. Međutim, tokom tog procesa val se pomiče i elektron se nađe u području maksimuma vala suprotnog predznaka koji ga vrati natrag u atom. U tom procesu elektron se riješi viška kinetičke energije koju je prethodno dobio emitirajući atosekundni puls. Tako nastaje niz pulseva čiji se razmak može kontrolirati. Pierre Agostini je 2001. našao način kako da se točno odredi širina pulsa.

Ferenc Krausz je razvio metode za izolaciju pojedinačnih pulseva i time omogućio vrlo preciznu kontrolu u eksperimentima. Pokazao je da u procesu izbacivanja elektrona iz atoma pod utjecajem npr. ultravioletnog ili rendgenskog zračenja elektroni koji se međusobno razlikuju u snazi vezivanja u atomu izlaze s vremenskim odmakom. Te vrijednosti su bile reda veličine desetak atosekundi.

Ovo troje znanstvenika dobili su ove godine Nobelovu nagradu za fiziku. Treba spomenuti da je Anne L'Huillier tek peta žena koja je dobitnica ove nagrade. Prva je bila Marie Curie 1903. za radioaktivnost, potom 1963. Maria Goeppert-Mayer za nuklearnu fiziku, Donna Strickland 2018. za femtosekundnu spektroskopiju i Andrea Ghez 2020. za astrofiziku.

Atosekundne pulseve možemo zamisliti kao bljeskalicu koja u redovnim, vrlo kratkim razmacima oslikava elektronski oblak u nekom atomu, molekuli ili materijalu. Različitim metodama detekcije svjetla koje je prošlo kroz uzorak ili svjetlošću pobuđenih elektrona može se odrediti dinamika elektronskog naboja.

Atosekundna spektroskopija se razvija u mnogim znanstvenim laboratorijima u svijetu. Oprema je jako skupa jer su potrebni laseri i zahtjevi za laboratorijske uvjete vrlo strogi. Međutim, ova spektroskopija je omogućila mnogobrojne prodore u fundamentalnim istraživanjima. Jako se puno radi na primjeni, posebno u medicini, kako bi se omogućilo da se sa znatno manjim uređajima vrše ispitivanja. Očekuje se da bi u elektronici, posebno u silicijskim procesorima, atosekundni pulsevi omogućili od sto tisuća do milijun puta brži prelaz fizičkog bita iz stanja nula u jedan i obratno. Time bi se klasična računala enormno ubrzala, pri čemu bi se znatno smanjilo zagrijavanje procesora.

Kao i uvijek, dio predviđanja će se ostvariti na tehnološkoj razini, a dio će ostati u laboratorijima kao osnova za daljnja istraživanja. U svakom slučaju, o atosekundnoj spektroskopiji sigurno će se još puno toga čuti u budućnosti.