Forskere ”fotograferer” elektroners forbudte rejse med laser

I kvantemekanikken kan partikler rejse gennem områder, der er forbudte i klassisk fysik, såkaldt tunnelering. Nu har forskere ved Aarhus Universitet og ETH Zürich-universitetet i Schweiz kortlagt præcis, hvor partiklen dukker frem efter rejsen.

30.11.2011 | Gunver Lystbæk Vestergård

Figur 1: Princippet i atto-clock-teknikken. En kraftig infrarød laserpuls udbredes gennem en kvartbølgeplade for at producere et næsten cirkulært polariseret lys. Laserpulsen bliver styret gennem en supersonisk gassky af helium eller argon, og atomerne ioniseres, så tunneleringen kan opstå. Det cirkulære polariserede lys kan bruges som en slags urskive, idet elektronens slutretning og fart og retningen af det cirkulært polariserede lys på ionisationstidspunktet kan fungere som en slags visere.

Figur 2: De røde prikker er indsamlet data af elektronernes afbøjningsvinkel (?) ved tunnelering i argon som en funktion af laserstyrken. Jo større styrke, jo mindre afbøjningsvinkel. Linjerne viser de forskellige teoriers forudsigelser af afbøjningsvinklen. Den røde linje, der umiddelbart bedst matcher datamaterialet, er Aarhus-fysikernes nye teori kaldet TIPIS (tunnel ionization in parabolic coordinates with induced dipole and Stark shift). Det vil sige, at den er formuleret i parabolske koordinater, tager hensyn til skift i energiniveau samt tager multielektroneffekter med i betragtning.

Lars Bojer Madsen, lektor i fysik, Aarhus Universitet

I kvantemekanikken sker forunderlige ting, der strider mod sund fornuft. For eksempel kan en partikel bryde igennem en potentialebarriere, hvis energi er højere end partiklens bindingsenergi. Et fænomen kendt som tunnelering. Billedligt talt svarer det til, at en bold kan rulle over på den anden side af en bakke uden at have haft fart nok på til at komme over bakketoppen.

For tre år siden opdagede den schweiziske professor Ursula Keller og hendes team ved ETH Zürich-universitetet tilmed, at tunnelering ingen tid tager.

I et samarbejde mellem Aarhus Universitet og universitetet i Schweiz er det nu lykkedes at komme endnu tættere på det gådefulde fænomen. De to hold fysikere har kortlagt uhyre præcist, hvor partiklen – i dette tilfælde en elektron – dukker frem efter tunneleringen. Det såkaldte exit-punkt.

Samarbejdet kom i stand, da teamet i Schweiz bad Aarhus-fysikerne om hjælp til at forklare deres eksperimentelle resultater teoretisk. De greb udfordringen og løste den.   

Ny teori fra Aarhus Universitet

– I Aarhus-teorien tager vi højde for en række effekter, som tidligere har været udeladt i kortlægningen af exit-punktet. Vi bruger de rigtige ”naturlige koordinater”, vi medtager energiskift af den tilstand, som der tunneleres fra, og vi tager højde for multielektroneffekten – altså effekten af de andre bundne elektroner, siger Lars Bojer Madsen, lektor i fysik ved Aarhus Universitet.

Han har udviklet teorien sammen med postdoc Darko Dimitrovski og postdoc Mahmoud Abu-samha. Alle fra Institut for Fysik og Astronomi.

Teorien giver de hidtil mest præcise forudsigelser af partiklens exit-punkt og er sammen med de eksperimentelle resultater netop publiceret i Nature Physics.  

Billede af elektronens rejse med ultrakorte laserpulse

Teamet i Schweiz har ”fotograferet” elektronens rejse gennem potentialebarrieren ved hjælp af ultrakorte og kraftige laserpulse. Pulsene fungerer som en slags hurtige blitz, så forskerne får en sekvens af billeder af elektronen rejse.

Revolutionerende for de nye eksperimenter er især brugen af cirkulært polariseret lys til laserpulsene i stedet for lineært polariseret lys. Det vil sige, at de elektriske og magnetiske felter, som udgør de elektromagnetiske bølger, vi kender som lys, drejer rundt om strålingens udbredelsesretning (se figur 1).

– Det er helt unikt at bruge cirkulært polariseret lys, for dermed bliver elektronen konstant drevet væk fra atomet, og vi kan isolere og fastlægge dens exit-punkt. Ved lineært polariseret lys vil det elektriske felt trække elektronen tilbage, når polariseringsretningen ændres, og derved bliver målingerne forurenet af tilbageløbende elektroner, forklarer postdoc Darko Dimitrovski.

Ny teori bidrager til at forbedre attovidenskab

Den nye metode kaldes for atto-clock-teknik og tilhører en gren af fysikken kendt som attovidenskab (attoscience). Attovidenskab handler om at opløse elektroners bevægelse på deres naturlige tids- og længdeskala. Navnet knytter sig til den atomare tidsskala attosekunder (10-18 sekunder). For eksempel tager elektronen i et brintatom omkring 20 attosekunder om at nå rundt om kernen.

Den schweiziske gruppe fra ETH Zürich er førende inden for eksperimentel attovidenskab, og universitetet er blandt de absolut bedste i verden – med 31 nobelprismodtagere, heriblandt Albert Einstein.

– Der findes kun nogle få top-eksperimentalgrupper i verden, og Ursula Kellers er en af dem. De kunne vælge og vrage mellem de teoretiske grupper, men de valgte os på grund af den ekspertise, vi har udviklet over de sidste år til at beskrive processer i cirkulære felter, siger Lars Bojer Madsen.

Han forudsiger, at de nye resultater vil få stor betydning for fremtidens attovidenskab.

– Vi byder ind med en langt mere detaljeret forståelse af tunneleringens trin, hvilket har vital betydning for udviklingen af lyspulse og måleteknikker på attosekund-niveau, siger han.

For yderligere oplysninger kontakt

 

 

Forskning, Science and Technology, Forside au.dk