Professor Raimund Feifel och hans projektgrupp ska bygga upp en helt ny experimentstation där extremt korta laserpulser används för att frigöra elektroner från molekyler, och i detalj följa den laddningsomflyttning som sker. Målet är att förstå, och därefter kunna kontrollera, kvantelektroniska processer.
Projektanslag 2024
Attosecond Puls Induced Quantum Electronic Processes
Huvudsökande:
Raimund Feifel, professor
Medsökande
Lunds universitet
Per Eng-Johnsson, professor
Stockholms universitet
Eva Lindroth, professor
Umeå universitet
László Veisz, professor
Uppsala universitet
Hans Ågren, professor
Lärosäte:
Göteborgs universitet
Beviljat anslag:
34 miljoner kronor under fem år
– Vi hoppas att projektet blir ett viktigt steg mot detta mål, eftersom möjligheten att styra kvantelektroniska processer skulle öppna dörrar för såväl nya forskningsfält som alltifrån materialutveckling till att kunna skapa mer kompakt elektronik, säger Raimund Feifel.
1921 tilldelades Albert Einstein Nobelpriset i fysik för beskrivningen av den så kallade fotoelektriska effekten, som innebär att elektromagnetisk strålning med mycket kort våglängd kan frigöra elektroner från atomer och molekyler. Hundra år senare har Raimund Feifel med kollegor fokus på konsekvenser av just denna effekt, som har betydelse för många kemiska processer och är viktig i utvecklingen av bland annat solceller, sensorer och ljusdetektorer.
I projektet, som stöttas av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, ska en grupp forskare från Göteborgs, Stockholms, Lunds, Uppsala och Umeå universitet ta sig an något som ingen har lyckats med tidigare: att i detalj studera vad som sker när elektronen lämnar kvantsystemet, och följa den omfördelning av molekylernas laddning som då inträffar.
– Det här är ett helt nytt fält, som är oerhört spännande. En långsiktig dröm är att kunna styra kvantelektroniska processer, vilket skulle öppna många nya forskningsdörrar. För att det ska bli möjligt behöver vi fullt ut förstå och kartlägga de här processerna i realtid, och det siktar vi på att bli världsledande i, säger Raimund Feifel, projektledare och den som har satt samman gruppen.
Extremt korta tidsskalor
För att genomföra experimenten använder gruppen avancerade instrument, som gör det möjligt att frigöra elektroner ur proven med hjälp av extremt korta laserpulser. Händelseförloppen som forskargruppen studerar pågår under några attosekunder, en tidsenhet så kort att den är svår att förstå. En attosekund är 
sekunder, eller en miljarddels, miljarddels sekund.
− Det är en lika liten del av en sekund, som en sekund är av hela universums ålder: 13,8 miljarder år. Det är i dessa tidsskalor som elektronerna rör sig, och det är dessa extremt snabba rörelser som vi arbetar med i projektet för att mäta, säger han.
När en elektron frigörs från en molekyl skapas ett hål, eller en vakans, i molekylens elektroniska struktur. Det innebär att en obalans uppstår, som naturen strävar efter att jämna ut.
− Systemet strävar efter ett så lågt energitillstånd som möjligt, därför försöker de elektroner som är kvar att hitta ett nytt energiminimum. Här sker den laddningsomfördelning i molekylen som vi skall följa i realtid, säger han.
Skapa en ”kemisk pincett”
De experiment som hittills har skett på området har fokuserat på att lösgöra de yttre elektronerna i atomerna. Raimund Feifel med kollegor riktar i stället in sig på elektronerna i de inre skalen, de elektroner som befinner sig allra närmast atomkärnan. Och det ger flera fördelar.
− Försöken med yttre elektroner verkar inte ge samma känslighet och möjlighet till kontroll av laddningsomfördelningen. När vi fokuserar på de inre elektronerna kan vi skapa vakanser i molekylernas laddningsfördelning på ett mycket mer kontrollerat sätt, där vi kan styra från vilken specifik atom i molekylen som elektronen ska avlägsnas. Man kan likna det vi vill uppnå med att försöka skapa en högeffektiv, laserdriven kemisk pincett, säger han.
Projektet innebär en ingående granskning av elektroners dynamik. Men även om det handlar om grundforskning kan Raimund Feifel redan nu se möjliga, framtida tillämpningsområden om projektet faller väl ut.
– Forskningen kan bli ett steg på vägen mot att kunna styra kvantelektroniska processer, vilket till exempel kan göra det möjligt att påverka materialegenskaper och skapa nya molekyler och material. Det kan också finnas tillämpningar inom molekylär elektronik, där förhoppningen är att kunna göra elektroniska kretsar ännu mer kompakta än idag, säger han.
Lyckat samarbete mellan flera experter
Många av experimenten i projektet sker i den så kallade Attohallen vid Göteborgs universitet samt vid Lunds Laser-centrum och i REAL-faciliteten i Umeå. Tack vare projektanslaget kommer forskarna kunna utöka sina laboratorier med en ny experimentstation. Den gör det möjligt att skicka flera, isolerade laserpulser i snabb följd, och utöka kapaciteten för att skapa attosekundspulser mot röntgenfotonenergiområdet.
– Det är väldigt roligt och inspirerande att få denna möjlighet att bygga upp så avancerad utrustning, och det hade aldrig gått utan anslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, säger han.
I projektet samarbetar en väl sammansatt grupp från flera svenska universitet, och forskarna har alla olika expertis som gemensamt banar väg för att projektet ska bli framgångsrikt. Projektdeltagarna från Lunds och Umeå universitet bidrar med både högteknologisk utrustning och genomförande av experiment, och projektdeltagarna från Stockholms och Uppsala universitet bidrar med oumbärlig teoriutveckling, modellering och tolkning av experimenten.
– Det är inte så många i Sverige som arbetar med det här forskningsområdet, så vi som deltar i projektet har nästan blivit som en familj. Vi kompletterar varandra och samarbetar väldigt bra. Tillsammans kan vi komma betydligt längre än om någon av oss ensam hade arbetat med projektet, säger han.
Text Ulrika Ernström
Bild Johan Wingborg
