Bild: Laszlo Veiz
Forskningsprojekt De kortaste pulser som någonsin skapats är 100 attosekunder (dvs. 10^-16 s) långa, vilket också utgör den temporära skalan hos elektroner. Detta gör det möjligt att mäta elektronrörelser i atomer och molekyler. Projektet syftar till att tillämpa en ny ultrasnabb visualiseringsinstrumentering med för närvarande högsta möjliga tidsupplösning för att filma elektronrörelse djupt inne i xenonatomer eller biologiskt relevanta organiska föreningar efter bestrålning med extrem-ultraviolett ljus.
Projektet finansieras av VR.
Studier av fenomen med hög tidsupplösning har avsevärt breddat vår kunskap om snabba mekanismer där den välkända inspelningen av en häst i rörelse 1878, fotografiet av en supersonisk kula eller den senare visualiseringen av kemiska reaktioner är välkända exempel. Denna ultrasnabba fotografering kräver mycket korta ljuspulser som fryser och fångar rörelsen hos snabbt föränderliga eller obeständiga objekt. Den kontinuerliga utvecklingen av källor till motsvarande korta ljuspulser ger upphov till instrument som kan skapa ljuspulser med allt kortare varaktighet, vilket i sin tur möjliggör studier av allt snabbare processer.
De kortaste pulser som någonsin skapats är i dag enbart 100 attosekunder (dvs. 10^-16 s) långa, vilket också utgör den temporära skalan hos elektroner. Detta gör det möjligt att mäta elektronrörelser i atomer och molekyler. Liknande studier har tidsupplöst utforskat yttre elektrondynamik i materia, studier av små tidsfördröjningar i joniseringsprocesser och mätningar av snabbt oscillerande elektriska fält i optiska pulser. Denna forskning förväntas bidra till snabbare elektronik, förmåga att mäta enskilda processer i atomer och molekyler och utveckling av detekteringstekniker med förbättrad kemisk känslighet.
Det aktuella projektet syftar till att tillämpa en ny ultrasnabb visualiseringsinstrumentering med för närvarande högsta möjliga tidsupplösning för att studera elektronrörelse djupt inne i atomer. Denna instrumentering använder en speciell laser (LWS-100 i Umeå) som är baserad på den så kallade chirpedpulsförstärkningstekniken, vilken 2018 tilldelades Nobelpriset i fysik. Denna laser utnyttjas för att generera korta och intensiva attosekundspulser i det extrem-ultravioletta spektralområdet som, i sin tur, används för att observera och kontrollera elektronrörelser.
Det första objekt som vi vill visualisera är xenonatomer, som har många elektroner som reagerar kollektivt på yttre påverkan och därmed har en mycket rik elektrondynamik. Med användning av en ickelinjär interaktion, dvs. simultan absorption av två fotoner från den korta ljuspulsen, kommer det att vara möjligt att undersöka hur den komplexa elektronstrukturen hos xenon beter sig om en djupt liggande inre elektron plötsligt avlägsnas.
En annan viktig tillämpning av vår attosekundkälla är hur biologiskt relevanta organiska föreningar reagerar efter att de har utsatts för extrem-ultraviolett ljus. Bestrålningen exciterar eller joniserar molekylerna till ett instabilt tillstånd. När den elektroniska strukturen omorganiseras sker laddningsmigrering från en del av molekylen till en annan som vi vill visualisera och, om möjligt, även kontrollera.
Denna process är början på en ljusinducerad kemisk reaktion som i princip kan styra hur denna grundläggande reaktion fortskrider. Därför kan vi genom att kontrollera elektrondynamiken kontrollera även dessa kemiska reaktioner. Vidare kan detta projekt resultera i en bättre förståelse och kontroll av grundläggande biologiska processer såsom fotosyntes, transport av biologiska signaler och proteinveckning.
