Attosekundfysik

Om man vill ta ett foto av en snabb händelse, tex inom sport, så gäller det att vrida ner slutartiden för att det inte skall bli suddigt. Men det tricket fungerar bara till en viss gräns, till slut kan man inte öppna slutaren mer för att släppa in nog med ljus under den korta exponeringstiden. Vill man fotografera ännu snabbare förlopp tar man till ett annat knep: man ställer upp slutaren och belyser objektet med en kort intensiv ljuspuls. Massor av snygga sådana fotografier finns tex på Flickr. Inom fysik och kemi använder man liknande knep. För att studera snabba processer i t.ex. molekyler belyser man dem med en kort laserpuls och ser hur de reagerar.

Det är i år 49 år sedan Schawlow och Townes publicerade pappret med de grundläggande principerna för lasern. Den första fungerande lasern byggdes två år senare. Sedan dess har lasern utvecklats till ett verktyg som finns nästan överallt. Utvecklingen har gått mot billiga små diodlasrar, lasrar med ultrahöga intensiteter och mot allt kortare pulser. 1999 fick Ahmed H. Zewail nobelpris för sina studier av övergångstillstånd i kemiska reaktioner med hjälp av femtosekundlaser. Då fanns sådana lasrar tillgängliga endast i dedicerade laserlabb där man kunde ansöka om stråltid för att utföra sina experiment. Idag är femtosekundlasrar något som finns i vart och vartannat labb (nåja…). En femtosekundlaser har en typisk pulslängd på några till några hundra femtosekunder (1fs=10^-15s). Det är en tidsskala som väl motsvarar det tid det tar för atomer att arrangera om sig under kemiska reaktioner. Därför fick femtosekundspektroskopin sådan betydelse inom kemin där man kunde studera vad som egentligen föregår under en kemisk reaktion; hur går det till när en molekyl omvandlas till en annan, vilka former tar den mellan reaktant och produkt.

Inom fysiken finns många intressanta fenomen som händer på än kortare tidsskalor. Den typiska tiden för elektronen rörelse räknas i attosekunder. Ett exempel är t.ex. vad som händer under auger-processer där en elektron absorberar en röntgenfoton och skickar ut två elektroner med olika energi. Exakt hur går processen till när energin omfördelas mellan elektronerna? Många frågor på elektronnivå kräver attosekundpulser för att gå att besvara. Man hoppas också på att kunna använda attosekundpulser för att forma och driva elektron vågpaket i eller mellan molekyler, något som kan vara intressant inom laser- och solcellsteknologi.

De senaste åren har man lyckats spränga femtosekundvallen och verkligen nått ner i attosekundlängd på laserpulerna. Detta uppmärksammas i ett specialnummer i Science där tre läsvärda reveiw-artiklar [1–3] belyser den senaste utvecklinen. Metoden man idag använder för att skapa attosekundpulser bygger på en teknik som kallas High-Harmonics Generation (HHG). Det går i enkelhet ut på att man fokuserar en femtosekundlaserpuls av synligt eller IR-ljus i en gas. Det elektiska fältet i fokus är så starkt att atomerna i gasen joniseras. De frisläppta elektronerna accelereas iväg från sina värdatomer av laserfältet. Efter en kvarts pulslängd byter det oscillerande fältet riktning och elektronerna vänder tillbaka och möter på nytt sin värdatom som de kan rekombinera med. Beroende på när under pulsen, hur när före eller efter puslmaximum, som jonisationen skedde kan elektronen behålla delar av den kinetiska energi den fått av laserfältet, den ponderomotiva energin. Den energin skickas ut i form av en högenergetisk foton i en mcyket kort ljuspuls. Genom interferens med ljuset från andra atomer i gasen får man en puls av udda multiplar av den ursprungliga laserns frekvens. Genom att sedan låta pulsen lysa genom en tunn aluminiumfilm kan man forma nästan perfekta attosekundpulser.

Attosekundfysik är ett nytt fält som bara är på väg att öppnas upp och som säkerligen kommer att leda till nya insikter om hur naturen fungerar, men också till nya tillämningar på samma sätt som femtosekundlasrarna gjorde för fysiken och kemin. Det är inte en alltför vild gissning att Nobelpris kommer att delas ut för attosekundfysik. I Sverige finns en forskargrupp i Lund som är en av de världsledande inom attosekundpulser. Beroende på hur utvecklingen ser ut skulle det inte förvåna om de är med i Nobelspekulationerna om ett decennium eller så.

[1] Philip H. Bucksbaum, "The Future of Attosecond Spectroscopy," Science 317 (5839), 766-769 (2007).
[2] E. Goulielmakis, V. S. Yakovlev, A. L. Cavalieri et al., "Attosecond Control and Measurement: Lightwave Electronics," Science 317 (5839), 769-775 (2007).
[3] Henry Kapteyn, Oren Cohen, Ivan Christov et al., "Harnessing Attosecond Science in the Quest for Coherent X-rays," Science 317 (5839), 775-778 (2007).

Andra bloggar om: fysik, lasrar, vetenskap.