I en helt ny typ av experiment ska ett forskarlag kombinera oerhört korta ljus- och elektronpulser. Målet är att med extremt hög tidsupplösning följa vad som händer i ett material när det utsätts för mycket snabba och starka elektriska fält.
Projektanslag 2020
Combining intense extreme ultraviolet and relativistic electron pulses for novel attosecond experiments
Huvudsökande:
Per Eng-Johnsson, professor i atom-, molekyl- och optisk fysik
Medsökande:
Lunds universitet
Olle Lundh
Anne L'Huillier
Claes-Göran Wahlström
Chalmers
Tünde Fülöp
Lärosäte:
Lunds universitet
Beviljat anslag:
25 600 000 kronor under fem år
– Det enda vi är ganska säkra på är att vi kommer att få se något oväntat. På så här korta tidsskalor slutar saker att uppföra sig som förväntat, säger Per Eng-Johnsson, professor i atomfysik vid Lunds universitet.
Han leder ett projekt, finansierat av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, som ska göra något helt nytt – nämligen att kombinera ljuspulser som endast är några hundra attosekunder långa med elektronpulser av ungefär samma längd.
Tidsskalan är hisnande kort, en attosekund är så lite som en miljarddel av en miljarddels sekund. Med så korta ljuspulser går det att fånga till och med elektroners ofattbart snabba rörelser.
– Vanligtvis hinner elektroner flytta sig under tiden en mätning görs. Men när man börjar matcha tidsskalorna som elektroner rör sig på blir det något helt annat, då kan man följa hur de faktiskt rör sig.
Höga övertoner möter surfande elektroner
Bara att skapa attosekunds-ljuspulser är en hel vetenskap. Per Eng-Johnsson och hans kollegor får dem att uppstå genom att låta intensivt laserljus växelverka med atomerna i en gas så att höga övertoner av ljus bildas i väldigt korta pulser.
I labbet intill finns en annan forskargrupp som använder ljus från samma laser, men till att accelerera elektroner. Med en mycket kraftfull laserpuls sliter de bort elektronerna från atomkärnorna i en heliumgas och skapar en våg av plasma.
– Elektroner som befinner sig i närheten börjar surfa på plasmavågen och bildar en kort elektronpuls som färdas nästan lika snabbt som ljuset, förklarar forskaren Olle Lundh.
Trots att deras labb ligger vägg i vägg har de två forskargrupperna arbetat var för sig. Men när Lunds universitet bestämde sig för att investera i ett uppgraderat, mycket kraftfullt lasersystem uppstod nya möjligheter.
– Med den nya lasern finns det ljus nog att göra både attosekundpulser av ljus och elektroner samtidigt, säger Per Eng-Johnsson.
Nu ska de tillsammans korsbefrukta sina två tekniker. Tanken är att skicka elektronpulser genom olika material och med synkroniserade ljuspulser studera hur elektronerna i materialet reagerar på de extremt snabba och starka elektriska fält som elektronpulserna för med sig.
– Ingen vet och ingen har tidigare undersökt hur material svarar på så starka och korta elektriska fält. De elektriska fälten kommer att skifta så snabbt att elektronerna i materialet inte borde kunna hänga med. Därför tror vi att något oväntat kommer att hända, men vi vet inte riktigt vad, säger Per Eng-Johnsson.
Projektets första steg är att göra elektronpulserna kortare. I dag kan Olle Lundh och hans kollegor skapa elektronpulser som är ett fåtal femtosekunder långa (en femtosekund = tusen attosekunder), men för att kunna utföra de planerade experimenten behöver de komma ner till några hundra attosekunder. Forskarna ska därför använda attosekunds-ljuspulser för att följa och göra mätningar på plasmat som skapar elektronpulserna, vilket i kombination med beräkningar som utförs av teoretiska plasmafysiker på Chalmers ska öka kunskaperna om hur elektronpulsernas längd och form kan styras via plasmat.
– Det här är något som ingen av oss skulle kunna genomföra utan de andra, vi skulle vara helt förlorade utan de olika kompetenserna. Det ska bli väldigt spännande att se vad vi åstadkomma ihop, säger Per Eng-Johnsson.
Skärskådar ögonblicket
När forskarna har fått elektronpulserna tillräckligt korta och kontrollerbara kan materialstudierna börja. Först ut blir tunna filmer av aluminium. Sådana har forskarna redan tidigare studerat med attosekunds-ljuspulser, utan pålagda elektriska fält. Nu vill de se hur resultaten förändras när aluminiumfilmen utsätts för elektronpulser. Därefter planerar de att gå vidare till att även studera andra material, med en tidsupplösning på bara några hundra attosekunder.
I många material förändras de optiska egenskaperna, till exempel hur ljus bryts, när det utsätts för ett elektriskt fält. Sådana så kallade elektrooptiska material används idag flitigt inom i princip all kommunikation för att med hjälp av elektriska pulser kunna kontrollera de ljussignaler som skickas genom optiska fibrer.
– I dag förutsätter man att materialens egenskaper ändrar sig ögonblickligen när man slår på ett elektriskt fält. Men troligtvis sker det inte omedelbart om man tittar med riktigt hög tidsupplösning. Om vi kan ta reda på hur det går till när materialegenskaperna förändras så kan man i förlängningen kanske också lära sig att styra dem, säger Per Eng-Johnsson.
Projektet är ren grundforskning och det huvudsakliga målet är att öka kunskapen om hur ljus, elektroner och materia växelverkar med varandra på extremt korta tidsskalor. På sikt kan det bidra till att öppna nya möjligheter inom till exempel fotonik, i gränslandet mellan optik och elektronik. Och de nerkortade elektronpulserna kan även användas till att generera riktigt korta röntgenpulser för andra typer av studier som kräver hög tidsupplösning.
Text Ingela Roos
Bild Marius Plach, Per Eng-Johnsson, Olle Lundh, Jonas Andersson
