Fotojonisation är när ljus träffar en atom med så hög energi att en eller flera elektroner slås loss och atomen joniseras. Vid Lunds universitet forskar Wallenberg Academy Fellow Marcus Dahlström på fotojonisation och kvantmekaniska fenomen. Länge har han ägnat sig åt attosekundsfysik, ett fält där forskare studerar elektroners rörelser med hjälp av laserpulser så korta som en attosekund – en miljarddel av en miljarddel av en sekund. Med pulserna har han och hans kollegor studerat tidmätning vid extremt snabba processer.

– Nu arbetar jag alltmer med en annan typ av laserstrålar, frielektronlaser. En helt annan sorts fysik gäller då, det tycker jag är spännande. Strålarna är så starka att man skapar en blandning av ljus och materia, man måste beskriva elektronen som att den inte går att skilja från ljuset, säger Marcus Dahlström.

De kraftigaste ljuspulser man kan skapa

Just att beskriva och förstå processerna är hans arbete som teoretiker. Grunden till det arbete han gör nu lades på flera olika ställen: i Lund, i Stockholm, och som gästforskare i Hamburg på CFEL, Center för frielektronlaser.

– Med attosekundpulser krävs en otrolig precision av lasrarna, men i Hamburg handlar det snarare om att frielektronlasern är så oerhört mäktig. Man skapar de kraftigaste pulser man kan och ser vad som händer. Det är helt sjukt coolt faktiskt! säger Marcus Dahlström och skrattar lite.

Det som händer är att helt ny, outforskad fysik skapas. Om en atom beskjuts med en så kraftig puls att tjugo eller trettio elektroner slås bort så får man en ovanligt starkt laddad jon. Elektronerna som är kvar runt den börjar då röra sig ännu snabbare än vanligt, nära ljusets hastighet, och relativistiska kvantmekaniska fenomen uppstår.

Sammanflätning studeras på nytt sätt

Ett sådant fenomen som Marcus Dahlström studerar är så kallad kvantsammanflätning mellan jonen och den elektron som slitits loss. Sammanflätade partiklar har en slags kvantfysikalisk koppling mellan sig så att den enas tillstånd kan påverka den andra, fast de är på olika ställen. Fenomenet är känt sedan länge men två saker är speciella i det här fallet. För det första skapas sammanflätningen av den puls som forskare skickar ut vilket betyder att man kan kontrollera den noga. För det andra kan den kvarvarande jonen dessutom sönderfalla och skicka ut ljus på egen hand, och då händer något med sammanflätningen. Den förflyttas från enbart jonen och elektronen till att gälla även ljuset, och i nästa steg är det bara ljuset och elektronen som är sammanflätade.

Många kvantmekaniska undersökningar rör bara enstaka atomer. Jag skulle vilja studera vad som händer när flera atomer är inblandade.

– Det här är helt fundamentalt. Den övergången har inte studerats tidigare och det öppnar för att studera många andra saker också, säger Marcus Dahlström.

Intresset är stort just nu för framtida kvanttekniker, som kvantsensorer och kvantdatorer. Men det Marcus Dahlström gör är grundforskning för att förstå och beskriva världen. 

– Det gäller att ha en tillräckligt effektiv modell. Tricket är att bygga tillräckligt sofistikerat för att beskriva vad som händer – men ändå inte ta med någon extra komplikation. Är man tillräckligt noga kommer man till nästa nivå av förståelse. Då kan man stå på den modellen, och så börjar man se förändringar som man inte kan förstå med den, och så bygger man vidare... 

Med kvantberäkningar och modeller försöker han förklara experimentella data, men han vill också ligga steget före experimentalisterna och föreslå undersökningar som de skulle kunna utföra.

– Jag tror att jag är lite mer praktiskt lagd än många teoretiker, och min grupp är rätt så flexibel och kreativ i att komma med experimentella förslag.

Kreativiteten viktig

Marcus Dahlströms föräldrar är akademiker men inte forskare. Som liten ville han bli animatör, men han tyckte att det mesta var roligt – musik, att teckna, att lära sig saker. När han började plugga på Lunds universitet valde han teknisk fysik för att han fick höra att ”om du gör det kan du bli vad du vill sedan”. Genom möten med inspirerande kollegor i flera länder fann han steg för steg det han gör i dag. Ett sådant tillfälle var när han under sin masterutbildning läste kursen Light matter interaction för Lundaforskaren och numera Nobelpristagaren Anne L’Huillier. Det var så spännande att han kände att han måste fortsätta studera det.

– För att vara forskare måste man vara oerhört övertygad om att detta är precis det man vill, för det är väldigt många forskare som är väldigt bra på det de gör. Det som gör att jag känner att jag kan hävda mig är just mina kreativa kvaliteter. Jag tror att man måste ha en idé om en tolkning, något som går bortom bara de tunga beräkningarna. Där kan jag bidra.

Text Lisa Kirsebom
Bild Åsa Wallin