Akimirkų medžioklė

Optikoje vyksmas laikomas labai sparčiu, jeigu trunka tik kelias pikosekundes (10^-12s). Sparčiausias vyksmas, kurį galima stebėti regimosios šviesos srityje, trunka kelias femtosekundes (10^-15 s).

Branduolį tiriantys fizikai žino ir dar spartesnių procesų. Taigi kas gali nutikti atomui ar molekulei per vieną pikosekundę? Per tiek laiko sužadinti atomai gali  išspinduliuoti energijos perteklių ir sugrįžti į žemiausią energijos lygmenį. Sužadinta molekulė savo energijos perteklių atiduoda kitoms, gretimoms, molekulėms. Molekulės branduolių virpesių energija gali virsti šilumine arba, jei virpesiai labai stiprūs, molekulė gali suirti arba suskilti. Tokių labai sparčių energijos perdavimo ir išsklaidymo vyksmų yra labai daug. Jų tuo daugiau ir jie tuo spartesni, kuo sudėtingesnė molekulė arba molekulių junginys. Pavyzdžiui, labai įdomūs ir sudėtingi energijos virsmai stebimi augalų ir gyvūnų ląstelėse, vykstant pirminėms su gyvybine veikla susijusioms reakcijoms.

Itin spartūs vyksmai tyrinėjami įvairiais metodais, bet visi jie panašūs. Pirmiausia tiriamasis objektas sužadinamas trumpu energijos impulsu, pavyzdžiui, kietasis kūnas arba biologinė ląstelė apšvitinami trumpu elektronų, Rentgeno spindu­lių arba šviesos impulsu. Po to įvairiais būdais (optiniais, elektriniais, mechaniniais, cheminiais) zonduojama, kaip pakinta daiktų savybės. Šis metodas vadinamas „smūginiu". Taip stebimas įmetus akmenį vandens paviršiuje susidariusių bangų slopimas. Šiuo būdu tiriami ir labai spartūs vyksmai biologiniuose objektuose (ląstelėse, molekulių junginiuose), paveiktuose trumpo lazerio šviesos impulso. Pirmąjį Lietuvoje pikosekundinį lazerinį spektrometrą 1976 m. suprojektavo ir pagamino Vilniaus universiteto fizikai. Tiriamajam objektui žadinti ir zonduoti jie panaudojo jau minėtus parametrinius lazerius. Taigi šiuo prietaisu galima ne tik paveikti tiriamąjį objektą įvairios spalvos šviesos impulsais, bet ir fiksuoti itin sparčius sukeltus spalvų kitimus. Labai įdomūs bandymai bu­vo atlikti su vadinamaisiais chromatoforais, t. y. molekulių junginiais, išskirtais iš fotosintezuojančių bakterijų. Chromatoforų gamtinė funkcija — tiekti bakterijai elektros energiją. Jie sudaryti iš chlorofilo molekulių ir vadinamojo reakcinio centro. Chlorofilo molekulės sukaupia Saulės šviesos energiją ir perduoda ją į reakcinį centrą, kuriame gimsta laisvų elektronų.  Šie skatina  biochemines  reakcijas,  reikalingas gyvybei palaikyti. Anksčiau buvo nežinoma, kaip ilgai trun­ka energijos perdavimas iš chlorofilo molekulių į reakcinį centrą, taip pat buvo neaišku, kaip keliauja elektronas reakciniame centre. Visa tai padėjo išaiškinti lazerinis piko­sekundinis spektrometras: trumpas lazerio žybsnis sužadina pradinius fotosintezės vyksmus, kiek vėliau kitas daugiaspalvis lazeris analizuoja, kas pasikeitė bandinyje, praėjus po sužadinimo kelioms ar kelioms dešimtims pikosekundžių. Dažniausiai po pradinių fotosintezės vyksmų pasikeičia chromatoforų sugėrimo spektrai. Užregistravę tuos pakitimus, mokslininkai sužino, kaip išlaisvinami ir kaip keliauja elek­tronai vykstant fotosintezei.

Paminėsime dar vieną atrankinio lazerinės spinduliuotės poveikio molekulėms problemą. Jos esmė tokia. Parinkus pa­kankamai trumpą, galingą ir reikiamo bangos ilgio šviesos impulsą, galima taip paveikti sudėtingą molekulę, kad ji suskiltų ne bet kaip, o nutrūktų tam tikras norimas cheminis ryšys. Taip būtų galima valdyti chemines reakcijas, netgi kryptingai keisti genetinį kodą. Praktiškai tai įvykdyti labai sunku, nes sudėtingoje molekulėje gautoji žadinimo energija akimirksniu (greičiau nei per vieną pikosekundę) „pasiskirs­to" — virsta įvairių virpesių energija ir molekulė skyla ne toje vietoje, kur mums reikia, o ten, kur silpniausias ryšys.

Kita vertus, norint kryptingai keisti, t.y. atrankiai skaldyti, molekules, reikia labai gerai žinoti jų energines būsenas ir dinamiką. Vaizdžiai tariant, reikia žinoti visus energijos „nutekėjimo vamzdelius", kad juos būtų galima „užkimšti". Tam tikslui daromi spektroskopiniai kinetiniai tyrimai, apie kuriuos kalbėjome šio skyrelio pradžioje. Kartais šie tyrimai vadinami pikosekundine spektroskopija, nors 9-ąjį dešimtmetį jų svorio centras persikėlė į femtosekundžių sritį. Taigi būtų tikslingiau kalbėti apie femtosekundinę spektroskopiją Čia sunkiausia — paruošti ir stebėti femtosekundinius švie­sos impulsus. Teoriškai mažiausia šviesos impulso trukmė gali būti 1CH⁵ s, t. y. 1 fs; tiek trunka keli šviesos bangos virpe­siai. Tačiau praktiškai ją pasiekti sunku. Šiuo metu mažiausia šviesos impulsų trukmė užregistruota Vienos ir Crioningeno universitetuose — 4,5 fs. Kuo trumpesnis impulsas, tuo sunkiau derinti bangos ilgį. Šiuo atžvilgiu parametriniai la­zeriai patogesni už dažų lazerius. Dar viena kliūtis, su kuria susiduria mokslininkai femtosekundžių srityje, — sklindan­čio medžiaga impulso trukmės didėjimas. Mat 1 fs trukmės impulsas, sklisdamas ore 1 m, pailgėja 50 kartų, o vandenyje ir stikle — 5000 kartų. Taigi femtosekundinius impulsus reikia sudarinėti vakuume ir, dirbant su jais, negalima naudoti stikli­nių prizmių, lęšių ir pan. Tačiau įveikti visus sunkumus skatina femtosekundinių impulsų taikymo perspektyvos.