現在、私たちはナノ秒からさらに深く、ピコ秒$${10^{-12}}$$に移行しています。そしてピコ秒単位では、どの物体も、一般的には光でさえも、巨視的な距離に移動できません。ここで、私たちはすでに純粋に微視的、あるいはメソスコピックな物理学に移行しています。

ピコ秒オーダーの時間に起こる代表的なプロセスとは? これらは、まず第一に、さまざまな原子、分子現象です。つまり、個々の原子またはそのグループの動きに関連する現象です。たとえば、結晶格子の同期振動、つまりフォノンです。つまり、たとえば音があれば... -音は、結晶を通過するそのような準粒子の流れ、つまりフォノンと呼ばれる格子振動としてイメージできることをおそらく知っているでしょう。これらのフォノンの典型的な振動時間は、数ピコ秒、数十ピコ秒、数百ピコ秒です。

たとえば、生体分子の挙動。タンパク質を折りたたむとき、さまざまなプロセスのカスケード全体が進行しているとしましょう. あなたのタンパク質がちょうど転写され...翻訳され...続いてそれの折り畳が始まるとき、この畳み込みの過程で、ピコ秒スケール、ナノ秒スケール、最大数秒で起こる現象があります. しかし、このタンパク質の再構成における最速のステップは、ピコ秒スケールで発生します。それがどのように起こるかを知ることは、生物学にとって非常に重要です。

これは、相転移の動力学などの起こる領域です。「動力学」という言葉は、何かの結果を見るだけでなく、このプロセスまたはそのプロセスがどのように発生するかを詳細に、できれば原子的に知りたいという意味です。つまり、「氷が溶けている」のを知るとします。氷にレーザー光の短い閃光を当て、それが溶けたとしましょう。私たちはこのプロセスがどのように始まるのかを知りたいと思っています - 原子ごとに、またはある種の変動、均一、不均一？これはすべてピコ秒スケールで研究されています。

一部の電子現象もこのカテゴリに分類されます。電子は原子核より数桁軽いため、一般に原子の動きと電子の動きの間にはかなり大きな時間差があることを理解していると思います。したがって、同じ力に対して、電子は原子や分子よりもはるかに速く反応します。したがって、原子や分子、およびいくつかのかなり遅い電子運動は、ピコ秒スケールに分類されます。たとえば、半導体電荷キャリアの速度論です。つまり、半導体に電圧が印加されると、何らかの電流が流れました。この電流は、そこに光が当たったことを意味し、いくつかのプロセスが開始されました。たとえば、どこかに流れた穴が生まれ、再結合し始めました。これはすべて、ピコ秒単位のスケールで行われます。「化学反応が起こった」といっても、実際、それは一度に起こるわけではありません。それは、起動され互いに引き続く現象のカスケード全体でもあります。これにはすべて、ブレーク、電子雲の流れ、ブレーク、または新しい化学結合の作成が伴います。これはすべて、ほぼピコ秒の範囲に当てはまります。

このピコ秒の範囲について言いたいことが 2 つあります。まず、これが本当の現代物理学であると完全に確信を持って言えます。つまり、これは現在世界中の何千もの研究所で研究されており、毎日何百ものジャーナルに掲載されているものです。これは本当に現代物理学そのものです。ピコ秒の範囲について 2 番目にお話ししたいのは、そのような現象を研究する方法です。そしてここで、私が条件付きで「ナノ秒の壁」と呼んだ興味深いものがあることがわかりました。つまり、20 世紀半ばまたはそれ以前に使用されていたさまざまな古い研究方法では、何らかの方法で空間で何かを動かす必要がありました。高速カメラで撮影したい場合、シャッターを動かす必要があり、または、コンデンサで短いフラッシュを得るときは、電極から別の電極への電子の流れの動きがあります。少なくともミリメートルの距離である種の機械的な動きがあります。そして、前に言ったように、すべてはナノ秒で終わります。つまり、ナノ秒は、少なくとも何らかの動きが目立つ場合です。
ピコ秒スケールでは、微視的な物体の動きは目立ちません。
したがって、これらの古くさい研究方法は、1 ナノ秒未満の範囲を研究することはできません。実際、12 ナノ秒未満はできません。

ここで、レーザーの発明は真のブレークスルーでした。より正確に言うと (次のスライドで示します)、レーザーを使用して非常に短い光パルスを得る方法です。そこでは、わずか数年で、ピコ秒の範囲全体（ナノ秒からピコ秒​​の単位、さらにはそれ以上）に至るまで、全体的な革命が起こりました。そして、レーザーはまったくユニークな研究方法であることが判明しました。プロセスが高速なため、プロセスの開始者としても記録ツールとしても機能します。

現在、ほとんどの、おそらく、高速プロセスの研究に関する実験で頻繁に使用されている標準的な手法（英語では「ポンププローブ法」と呼ばれ、ロシア語では「ポンピングアンドプロービング」と訳されることが多い）は、このように: たとえば、光のパルスを 2 つの短い光パルスに分割し、それらをピコ秒単位で相対的にシフトし (これは簡単に行うことができます)、研究対象のサンプルに照射します。ここで、最初のインパルスが何らかのプロセスを開始し、このプロセスが発生した瞬間に 2 番目のインパルスがこのオブジェクトに照射されます。その結果、これらのパルス間の時間シフトを制御できれば、たとえば 1 ピコ秒後または 2 ピコ秒後にプロセスに何が起こったかを明確に確認できます。

これらのレーザーパルスでは、機械的にはまったく得られず、レーザー内部のレーザー放射の異なるモード間の相互作用により得られます。ごく簡単に言えば、このように見えます。レーザーが何であるかはご存知でしょう。励起されてコヒーレントなレーザー放射を生成する増幅媒体があります。そのため、通常、レーザーでは特定の 1 つの波長が増幅されるのではなく、いくつかの近接波長または多数の近接波長が増幅されます。それらはわずかに異なる周波数を持っています。そして、何の努力もしないと、これらの周波数 (つまり、これは別の種類の光です) は互いに同期せずに重なり合うだけです。したがって、レーザービームが出ている場合、実際にはわずかに異なる周波数を持つ多くの個々のレーザービームがそこにあります. しかし、特殊な装置のトリックを使用すると、これらの異なる周波数を互いに同期させることができます。そして、ある時点で、それらすべてが、群衆全体とともに、たとえば、振動の正の段階から始まります。そして、この瞬間に急激な増加があることがわかりました。これらのフェーズが文字通り互いに補い合うため、強度はほぼゼロになります。その結果、極端なタイプのビートが得られます。ビートは、2 つ以上の近い周波数を重ね合わせることによって得られます。しかし、多くの周波数がある場合は、厳密に定義された周期性を持つ非常に狭いパルスが得られます。これらの狭いパルスは、問題なくピコ秒スケールで実際に実行できます。人々は60年代の文字通り1、2年で、これらのテクノロジーを持ちました。80 年代には、これらのピコ秒パルスをさらに圧縮し、さらにはフェムト秒範囲まで圧縮できる追加の技術がありました。それはすべて行われており、すべてが日常的な実験になっています。

さて、このポンピングとプロービングの方法がどのように機能するかの実例として、人々が最初にフォノンを見た別の研究についてお話します（この研究の詳細については、アトミックシネマを参照してください）。もちろん、これらはコヒーレントなフォノンであり、単一でもありませんが、それでもフォノン、つまり結晶格子の振動であり、自分の目でリアルタイムで見ることができます。

まず、典型的な時間について一言。原子の典型的な速度を結晶内の典型的な原子間距離で割ると、ピコ秒の分数のオーダーの時間が得られます。実際、私たちの結晶では、原子は 1 つずつではなく同期して動きます。たとえば、フォノンは、一度に大きなグループの原子の同期振動です。波長内のこれらの原子の典型的な数を n とすると、たとえば数十、数百、数千の場合、ピコ秒範囲でこれらのフォノンの振動周期が得られます。

このようなフォノンは、このポンプとプローブの技術を使用してどのように見ることができるでしょうか? これは次のように行われます: 評価中のサンプルに 2 つのパルスが送信されますが、これらは明らかに時間的に相関しています。これらは、さまざまな範囲の電磁放射からのパルスです。最初に、非常に短くて強力な赤外線パルスが送信されます。これは文字通り、結晶の表面に一撃を加え、特定の場所で特定の時間にフォノンの流れを生成し、結晶の奥深くまで入り込みます。 、表面近くの格子振動。そして同時に、または特定の時間のずれとともに、弱い診断用X線パルスがそこに送信されます。X線パルスは、表面から効果的に反射されるような波長で選択されます。
結晶は、数オングストロームのオーダーの原子間距離を持っています。したがって、数オングストロームのオーダーの波長を持つX線パルスに当たると、効果的に回折が始まります。つまり、結晶はX線光に対して回折格子として機能します。この X 線ビームの反射を使用して結晶格子の振動を調べることができます。これらの振動は実際には X 線パルスの挙動に反映されるからです。

ここにあるのは典型的な写真です。数オングストロームのオーダーの波長を取ると、結晶格子での光の回折が得られます。最も単純なケースは、結晶面から得られる単なる反射です。この X 線光の反射ビームを観察し、その強度をさまざまな角度で測定し、振動を調べることができます。ちなみに、これはかなり広いクラスの音響光学現象、つまり光学が音響、つまり原子の音の動きや振動に関連している現象のほんの一例です。

こちらも実験作業の結果です。この写真 (時間はピコ秒です... 単なる強度です) は、X 線パルスのプロファイルを示しています。破線は、結晶に当たらなかったときのプロファイルを示しており、インパルスが飛んできて反射し、検出されました。実線は、時間ゼロで結晶を叩いたときに何が起こるかを示しています。ここに強度の変動があることがわかります。そして、摂動のない場合に規格化（つまり、実線の曲線を破線の曲線で割ります）すると、規格化された強度が得られます。最初は1でしたが、突然低下して振動し始めました。

実際、これらのデータから、結晶の挙動について多くのことを知ることができます。まず、振動の周期を決定することができます。この特定のケースでは、約 15 ピコ秒であることが判明しました。ちなみに、これは計算と完全に一致しています。たとえば、結晶内の音速を測定して距離を測定すると、これらすべてが時間に再計算されます。さらに、これらの振動が減衰されていることがわかります。これらの波が厚さ方向に逃げ始めるので、これは当然です。したがって、私たちが実際にX線パルスで見ている表層は...振動が徐々に消えていきます。減衰時間は 100 ピコ秒のオーダーであることが判明し、これも原理的には理論計算と一致しました。

実は、それだけではありません。この問題をさらに実験できるため、たとえば、結晶への影響の強さを変更して、物質に何が起こるかを確認できます。そして、そこで興味深いことが起こることが判明しました。赤外線パルスの明るさに関して特定のしきい値を超えると、結晶が局所的に溶け始めます。つまり、結晶はこの場所で完全に崩壊し始め、結晶格子を失います。

写真を見せているのではなく、そこで観察されたことを伝えているだけです。人々がこの出力範囲をスキャンすると、この融解は原子単位で始まるのではなく、これらの非常に高振幅のフォノン振動の振動を通じて、つまり、結晶がまだ保持している特定の振動限界があることがわかります。この限界を超えると、単純に溶け始め、結晶構造が崩壊し始めます。つまり、このようにして、少なくとも局所的に、相転移の動力学を実際に研究しています。

ピコ秒の領域には、実はレーザーパルスの汎用性を利用した面白い研究がたくさんあります。ここで、レーザーパルスは単なるコヒーレント光ではなく、レーザーにも特定の偏光があると簡単に言います。この分極も検出でき、物質内で発生する電磁プロセスについて多くのことを知ることができます。

ここで、「磁気光学カー効果」と呼ばれる効果があるとしましょう。以下で構成されています。強磁性材料で作られたある種のプレート、つまり磁化されたプレートがあり、特定の偏光を持つレーザービームがそこから反射される場合、偏光面はわずかに回転します。そして、この回転はすべての角度、つまりビームの入射角、その偏光の角度、および角度、このフィルムの磁化ベクトルの方向に依存します。これは、この標準的なポンピングおよびプロービング方式で受信した放射の偏光を測定すると、この磁化ベクトルがどのように変化するかをリアルタイムで知ることができることを意味します。

このような実験は、ほんの数年前にも行われました。そして、これが論文の1つからの結果です。ここで、人々はビームのさまざまな偏光とさまざまな入射角を実験し、3 次元空間における磁化ベクトルのダイナミクスを簡単に復元することができました。つまり、赤外線パルスが当たると、どういうわけか震え始め、時には減少し、収縮し、回転し、歳差運動をすることがわかりました。そして、これはすべて、この技術の助けを借りて本当によく見られます. ここではもちろん、いくつかの波線が描かれており、何も明確ではありませんが、実際には、これらは3つの異なる投影であり、映画の磁化ベクトルのダイナミクスに関する3つの異なるビューです。そしてそれらを研究することで、物理学者はそこで起こっていることの段階を順番に再構築することができました. それが判明した、つまり、文字通り最初のピコ秒の何分の一かで、最初に電子が加熱されます。つまり、最初に電子が光を吸収し、磁化が急激に低下します。つまり、電子は高温であり、磁気は電子に関連付けられているため、磁化が急激に低下します。そして、2～3ピコ秒後に電子の熱が格子に伝わり、格子が何らかの振動を起こし始めます。その後、磁化は元のレベルに戻り、磁場の周りに歳差運動が生じます。ここにあなたが得る写真があります。そして、2～3ピコ秒後に電子の熱が格子に伝わり、格子が何らかの振動を起こし始めます。その後、磁化は元のレベルに戻り、磁場の周りに歳差運動が生じます。写真。そして、2～3ピコ秒後に電子の熱が格子に伝わり、格子が何らかの振動を起こし始めます。その後、磁化は元のレベルに戻り、磁場の周りに歳差運動が生じます。写真。