Mikrokosmiskt skeende fångas med svindlande korta ljuspulser
Ett internationellt samarbete inkluderande forskare från Amsterdam, Paris, Baton Rouge (USA) och Lund har lett till ett genombrott som flyttar en del av kvantmekanikens matematik från skrivbordet rakt in i laboratoriet – från teori till verklighet. Med hjälp av extremt korta ljuspulser, får man ny kunskap om de sk materievågornas egenskaper.
Gruppen i Lund innehar faktiskt ett ”världsrekord” i att generera korta laserpulser. I Högeffektlaserlaboratoriet vid Lunds Tekniska Högskola produceras dagligen tåg av pulser, där varje puls är 200 attosekunder lång och åtskild från nästa puls med 1,3 femtosekunder. Det handlar om ofattbart korta tidsrymder. En femtosekund är 10-15 sekunder, alltså en milliondel av en miljardel av en sekund. En attosekund är tusen gånger kortare än en femtosekund, alltså 10-18 sekunder. Dessa svindlande korta ljuspulser kan användas för att ”fotografera” de beståndsdelar som rör sig allra snabbast i atomer och molekyler, elektronerna. I en artikel publicerad i det senaste numret av Nature Physics visar forskarna att attosekundspulser är kraftfulla verktyg för att studera elektronernas vågliknande egenskaper.
I kvantmekaniken beskrivs materia med hjälp av s k vågfunktioner. Dessa beskriver sannolikheten för att t ex en elektron ska befinna sig i ett visst läge och röra sig med en viss hastighet. De beskriver också hur materia ibland kan uppträda som en partikel och ibland som en våg. En vågfunktion representeras matematiskt med en amplitud och en fas. Teoretikerna beräknar dessa vågfunktioner och utnyttjar dem för att, till exempel, förutsäga en viss process. Att mäta hela vågfunktionen är tyvärr mycket svårt och experimentalisterna har huvudsakligen kunna bestämma dess amplitud.
I artikeln rapporterar forskarna om en teknik de har utvecklat för att mäta elektronvågfunktionens fas med hjälp av attosekundspulser. Tekniken baseras på interferens mellan elektroner som skapas av två på varandra följande attosekundspulser. Utöver de ultrakorta ljuspulserna i Lund har projektet utnyttjat en elektronavbildande detektor byggd i Amsterdam och flyttad till Lund för det experimentella arbetet. Argon-atomer besköts med attosekundspulser i det extremt ultravioletta våglängdsområdet och med längre pulser av infrarött laserljus. När dessa pulser fokuseras i argongasen rycks elektroner loss i form av vågpaket. Det infraröda ljuset ändrar vågpaketens hastighet och får dem att interferera med varandra och bilda komplicerade mönster. Analys av interferensmönsterna ger forskarna ny insikt i elektronernas uppförande och speciellt information om vågfunktionens fas.
Rönen presenteras i en artikel med titeln Attosecond electron wave packet interferometry publicerad i Nature Physics. Den finns online på nature.com/naturephysics.
Kontaktinformation
För ytterligare information kontakta Anne L´Huillier på tel. 046 222 76 61 eller per e-post Anne.LHuillier@fysik.lth.se.
