UV-ljus fångar in elektroner i kvanttillstånd
Ett internationellt forskarteam med forskare från Göteborgs universitet har lyckats styra elektronernas energinivåer i en heliumatom. Genom att skicka ut vältrimmade laserimpulser av ultraviolett ljus kan forskarna påverka elektronernas tillstånd på ett dynamiskt sätt i atomer och molekyler. Detta banbrytande resultat publiceras nu i Nature.
Så länge elektroner är bundna till en atom kan deras energi enbart anta vissa fasta värden. Dessa energivärden beror i första hand på den specifika atomen och betraktas som systemets fingeravtryck. Men om en atom befinner sig i strålen från en mycket kraftfull laser påverkas energinivåerna och ett så kallat fotonstyrt elektrontillstånd skapas.
– Denna metod öppnar för att vi på sikt kan hjälpa kemiska reaktioner på traven och få dem att ske på ett önskat sätt utan onödiga bieffekter, säger huvudförfattaren Lukas Bruder, forskare i fysik vid Freiburgs universitet.
Extrema energimängder
För att rubba elektronerna runt en atomkärna och skapa dessa speciella kvanttillstånd tillförs extremt stora mängder energi i storleksordningen tio till hundra biljoner watt per kvadratcentimeter. Med vältrimmade laserpulser uppnås sådana energier inom ett ofattbart kort tidsfönster på bara några biljondelar av en sekund.
Forskarna använde FERMI:s frielektronlaser i Trieste, som kunde skapa mycket intensiva ljuspulser i det extrem-ultravioletta spektrat. Denna ultravioletta strålning har en våglängd på mindre än 100 nanometer, vilket är nödvändigt för att manipulera elektrontillstånden i heliumatomer.
– För att styra energitillstånden genom foton-elektron-koppling använde vi laserpulser som spreds eller sammandrogs beroende på scenariot. Det gjordes genom att justera tidsfördröjningen för de olika färgkomponenterna i laserstrålningen, säger Raimund Feifel, professor i fysik vid Göteborgs universitet och medförfattare till studien.
Kontrollera kemiska reaktioner
Med hjälp av en speciell elektronspektrometer från Göteborgs universitet kunde forskarna få fram mätbar information som ger detaljerade bilder på elektronernas tillstånd i en atom eller molekyl.
– Den teknik vi har utvecklat öppnar upp för ett helt nytt forskningsfält. Det handlar bland annat om nya möjligheter att göra experiment med frielektronlasrar mer effektiva och selektiva eller att få nya insikter i grundläggande kvantsystem som inte är tillgängliga med synligt ljus. Framför allt kan det nu bli möjligt att utveckla metoder för att studera eller till och med kontrollera kemiska reaktioner med atomär precision, säger Lukas Bruder.
Vetenskaplig artikel I Nature: Strong-field quantum control in the extreme ultraviolet domain using pulse shaping
Kontakt: Raimund Feifel, professor i atom och molekylfysik på Institutionen för fysik vid Göteborgs universitet, telefon: 0708-38 16 89, e-post: raimund.feifel@physics.gu.se
Presskontakt: Telefon 076-618 69 70, e-post: press@science.gu.se