Kvantmekaniska fenomen studeras i realtid

Fotoemission kallas det när strålning slår loss elektroner från ett material. Men exakt hur går det till? Forskare från tre universitet ska studera den ofattbart snabba processen medan den pågår. För att lyckas behöver de kombinera avancerad utrustning med de allra nyaste metoderna och nyutvecklad teori.

Projektanslag 2017

Attosecond chronoscopy of electron wave-packets probing entanglement and time-ordering of quantum processes

Huvudsökande:
Raimund Feifel, professor i fysik

Medsökande:
Göteborgs universitet
Vitali Zhanuerchyk

Stockholms universitet
Eva Lindroth

Lunds universitet
Marcus Dahlström
Mathieu Gisselbrecht
Anne L’Huillier

Lärosäte:
Göteborgs universitet

Beviljat anslag:
36,3 miljoner kronor under fem år

En atom eller molekyl kan släppa ifrån sig elektroner om den utsätts för strålning med tillräckligt kort våglängd. Det här kallas för den fotoelektriska effekten, och det var beskrivningen av den som gav Albert Einstein nobelpriset i fysik 1921. Det som händer är att en enda foton, en ”ljuspartikel”, avger all sin energi till en elektron och slår loss den. Effekten är avgörande för många kemiska processer och utnyttjas också i bland annat solceller.

Med anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse ska nu forskare från universiteten i Göteborg, Lund och Stockholm utveckla metoder för att studera förloppet i realtid. Ett viktigt mål är att se exakt hur det går till när strålningen får mer än en elektron att lossna, i vilken ordning elektronerna lossnar, och hur de påverkar varandra. Det har aldrig kunnat undersökas i detalj förut.

– Elektronerna kring en atom är inte oberoende av varandra. De känner av varandra. Börjar man röra om i grytan och plockar bort två, påverkar de varandra. För att få en fullständig bild av vad som händer är det viktigt att detektera egenskaperna hos alla elektroner som kommer ut, säger Raimund Feifel.

Han är professor i fysik vid Göteborgs universitet och specialist på just området korrelationsmetoder. Det är han som leder projektet. Det Raimund Feifel beskriver är vad som brukar kallas ”sammanflätning” av partiklar, ett kvantfysikaliskt fenomen som innebär att en partikel har ett slags koppling till en annan, eller information om en annan, fast de är på olika platser och inte påverkar varandra med exempelvis elektriska krafter.

Extremt korta laserpulser visar fotoemissionen

I projektet samarbetar forskare som är experter på teorierna bakom det som sker, med forskare vars främsta expertis är de praktiska försöken. De partiklar som kommer att studeras är så kallade anjoner, negativt laddade joner, som passar bra för försök över extremt kort tid. Vid Göteborgs universitet finns stor erfarenhet av att framställa jonerna, i Stockholm görs mycket av de teoretiska beräkningarna och i Lund finns utrustningen och kompetensen för de praktiska försöken. Med ultrakorta laserpulser och moderna spektroskopiska tekniker är det möjligt att studera händelseförlopp som sker på några attosekunder – en nästan ofattbart liten tidsenhet. En attosekund är 10-18 sekunder, en miljarddel av en miljarddel av en sekund. Det är en lika liten del av en sekund som den hela sekunden är del av universums ålder.

– De extremt korta laserpulser som vi skapar, attosekundspulser, uppstår genom att atomer växelverkar med ett starkt laserfält så att det uppstår strålning av en högre frekvens. Pulserna fungerar lite som ett stroboskop, som gör det möjligt för oss att studera fotoemissionen i realtid. Det är väldigt spännande, för det är svårt att förutsäga vad vi kommer att få se, säger Anne L’Huillier, professor i atomfysik som leder experimenten i Lund.

Den sanna bilden ger nya infallsvinklar

Fram till nu har forskare sett det som att fotoemission av flera elektroner innebär att elektronerna lossnar samtidigt. Men egentligen har det bara handlat om att tidsskillnaden mellan de olika elektronernas frisläppning varit så liten så att den inte har gått att studera.

– Att det var en ögonblicklig process är den bild man har nöjt sig med. Den var tillräckligt bra för att fungera med teorin. Men när vi kan upplösa flera steg i processen både vad gäller energi och tid, så finns ett väldigt intressant samspel där vi kan få nya infallsvinklar på de kvantmekaniska problemen, säger Eva Lindroth, professor i teoretisk atomfysik.

I projektet kombineras traditionella forskningsmetoder med moderna och teori med experiment för att nå fram till målet: en tydligare bild av exakt vad som sker när elektroner lämnar en partikel genom fotoemission, och hur elektronen själv ”reagerar”.

– I grunden handlar det om vad tiden betyder i kvantmekaniken, säger Raimund Feifel.

De tekniskt utmanande experimenten kommer att innebära att forskarna utvecklar nya tekniker och vidareutvecklar bland annat befintlig laserutrustning, något som kan få praktisk betydelse för andra forskargrupper och inom industrin. Men projektet i sig är helt och hållet grundforskning – en mycket närgången studie av elektroners dynamik.

Eva Lindroth:

– I kemiska reaktioner är det vanligt att vissa elektroner förflyttar sig strax innan den egentliga kemiska reaktionen sker, då ju atomkärnorna ändrar läge. En långsiktig dröm skulle vara att vi kan påverka den här dynamiken. På så vis skulle vi kunna styra hur olika kemiska reaktioner faller ut.

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström