Tänk dig att du kastar en sten i en damm. Ena stunden är vattnet stilla, nästa stund har stenen försvunnit ner i vattnet och vågor breder ut sig på ytan. Även om själva krocken med vattnet gick så fort att vi inte hann se den i detalj, finns informationen om var och när den inträffade kvar i vågmönstret på vattnet.

Men för den som vill undersöka ännu snabbare och mindre händelser – som att se extremt korta ljuspulser eller kemiska reaktioner – då räcker inte vattenvågorna till. Det kräver mycket snabbare och mindre vågor, av elektroner.

Elektroner är nämligen otroligt snabba. Deras rörelser mäts i attosekunder, det vill säga en miljarddels sekund, eller 10^-18 sekunder. Det är svindlande kort.

– En attosekund förhåller sig till en sekund som en sekund förhåller sig till universums ålder. Och nu kan vi mäta skillnader på tio attosekunder mellan sådana elektronvågor – det är häftigt när man tänker på det på det sättet, säger Marcus Dahlström.

Vill styra elektroner

Marcus Dahlström forskar inom fältet attosekundsfysik. Här använder forskarna extremt korta pulser av laserljus, attosekundspulser, för att kunna studera elektroners rörelser.

Elektroner ligger bakom de kemiska bindningarna mellan och i molekyler. En lockande framtida tillämpning av attosekundsfysik är därför att kunna styra hur elektroner rör sig i atomer och molekyler och påverka hur kemiska reaktioner sker.

Som teoretiskt inriktad forskare gör Marcus Dahlström avancerade beräkningar för att förstå och förutsäga processerna.

– Min forskning går ut på att simulera hur elektroner rör sig i atomer och från atomer när de utsätts för extrema förhållande i form av attosekundspulser och starka laserfält. Jag vill lära mig mer om hur vi kan styra elektronerna, men också förstå hur vi kan använda elektronernas rörelse för att mäta egenskaper hos ljuset.

Fångar elektronens flykt

Marcus Dahlström har bland annat studerat den så kallade fotoelektriska effekten, som innebär att ljus som lyser på ett material kan slå loss elektroner ur materialet.

Länge visste forskarna inte om elektronerna lossnar direkt eller om processen sker stegvis. Men Marcus Dahlström och hans kollegor lyckades visa att det faktisk tar en viss tid för atomen att skicka ut elektroner. Detta gjorde de genom att jämföra vågorna från olika elektroner i en och samma atom, och då upptäcka en relativ fördröjning på tio attosekunder.

Studien publicerades i den ansedda tidskriften Science år 2017 och var ett samarbete mellan teoretiska och experimentella fysiker. Resultatet gav viktiga svar, men väckte också nya frågor.

Ett problem är nämligen att laserpulsen och elektronerna växelverkar med varandra, berättar Marcus Dahlström. Det är omöjligt att veta om en fördröjning uppkommer från laserpulsen eller av elektronrörelsen.

Klockor som utnyttjar kvantfysik

Marcus Dahlström utvecklar därför en typ av klockor som bygger på atomer vars elektroner befinner sig i så kallade superpositionstillstånd. Superposition är en kvantmekanisk princip som innebär att en partikel kan befinna sig på två ställen, i två tillstånd, samtidigt. När forskarna joniserar en sådan elektron, det vill säga tillför energi så att elektronen lämnar atomen under en kort tid, uppstår en kvantmekanisk så kallad interferens mellan de två tillstånden, som kan användas som tidmätare.

– Våra resultat tyder på att man kan använda de här klockorna för att göra ännu mer noggranna mätningar av attosekundspulser än tidigare, och säga något om deras struktur i både tid och frekvens. Det måste vi kunna om vi verkligen ska utnyttja attosekundspulsernas potential att styra elektroner och kemiska reaktioner.

Som Wallenberg Academy Fellow ska Marcus Dahlström undersöka vad som händer när även ljuspulserna och laserfälten, inte bara elektronerna, antar kvantmekaniska egenskaper.

– Det är en jättespännande fråga! Att kombinera attosekundsfysik och kvantoptik kommer att bli ett nytt kapitel i spetsforskningen kring attosekundspulser och med det här anslaget har jag möjlighet att vara med från början.

Han ska också undersöka hur hans atomära klockor påverkar varandra, hur lång tid det tar för en grupp klockor att sönderfalla och hur den processen kan kontrolleras.

”Jag ger mig in på väldigt outforskad mark, i något som kan bli ett helt nytt, spännande forskningsfält. Utan det här anslaget hade jag inte kunnat ta den risken. Konkret innebär anslaget också att jag kan anställa ytterligare en doktorand och en postdok.”

Hittade forskningen i Kalifornien

Marcus Dahlström forskar vid Lunds universitet, där han också gick sin grundutbildning i teknisk fysik. Under utbildningen tillbringade han en period vid University of California, Berkeley och fick jobba som studentforskare under sommaren.

– Det var första gången jag forskade och jag tyckte att det var jätteroligt! Efter det var det helt uppenbart att jag ville doktorera i fysik.

Efter disputationen i Lund arbetade han som postdoktor vid Stockholms universitet och som forskare vid ett Max Planck-institut i Hamburg. Efter en period som forskare i Stockholm återkom han 2017 till Lunds universitet.

Han tycker om att spela gitarr och munspel, men med två små barn handlar fritiden mycket om att vara med familjen.

– Jag pratar ofta om atomer med min femåring och det märks att hon också tycker att det är spännande.

Text Sara Nilsson
Bild Marcus Dahlström, Markus Marcetic