Om een ​​glimp op te vangen van de onvoorstelbaar snel bewegende deeltjes van de subatomaire wereld, moet je onvoorstelbaar korte lichtflitsen produceren. Anne L'Huillier, Pierre Agostini en Ferenc Krausz hebben de foto gedeeld 2023 Nobelprijs voor natuurkunde voor hun baanbrekende werk bij het ontwikkelen van het vermogen om de werkelijkheid op bijna onvoorstelbaar korte tijdschalen te belichten.

Tussen de jaren tachtig en het begin van de jaren 1980 ontwikkelden de drie natuurkundigen technieken voor het produceren van laserpulsen die slechts attoseconden duurden – perioden miljarden miljarden keren korter dan een seconde. Als je het in zulke korte flitsen bekijkt, vertraagt ​​de wereld. Het ritme van de vleugels van een kolibrie wordt een eeuwigheid. Zelfs het onophoudelijke zoemen van atomen wordt traag. Op de tijdschaal van attoseconden kunnen natuurkundigen rechtstreeks de beweging van elektronen zelf detecteren terwijl ze rond atomen vliegen en van plaats naar plaats springen.

“Het vermogen om attoseconde lichtpulsen te genereren heeft de deur geopend op een kleine – extreem kleine – tijdschaal. Het heeft ook de deur geopend naar de wereld van elektronen,” zei Eva Olson, voorzitter van het Nobelcomité voor Natuurkunde en natuurkundige aan de Chalmers University of Technology.

Deze methode om de wereld in ultraslow motion te bekijken is niet alleen een fundamenteel nieuwe manier om elektronen te bestuderen, maar kan ook tot een groot aantal toepassingen leiden. Mats Larsson, een lid van het Nobelcomité, noemde de techniek de lancering van het veld van de ‘attochemie’, oftewel het vermogen om individuele elektronen te manipuleren met behulp van licht. Schiet attoseconde laserpulsen op een halfgeleider, vervolgde hij, en het materiaal springt vrijwel onmiddellijk over van het blokkeren van de elektriciteitsstroom naar het geleiden van elektriciteit, wat mogelijk de productie van ultrasnelle elektronische apparaten mogelijk maakt. En Krausz, een van de laureaten van dit jaar, probeert ook de kracht van attosecondepulsen te benutten om subtiele veranderingen in bloedcellen te detecteren die op de vroege stadia van kanker kunnen wijzen.

De wereld van de ultrasnellen is totaal anders dan de onze, maar – dankzij het werk van L'Huillier, Agostini, Krausz en andere onderzoekers – komt deze nu pas in zicht.

Wat is een attoseconde?

Eén attoseconde is een duizendste van een seconde, oftewel 0.000000000000000001 seconde. Er gaan meer attoseconden voorbij in een tijdsbestek van één seconde dan er seconden zijn verstreken sinds de geboorte van het universum.

Om de bewegingen van planeten te klokken, denken we in dagen, maanden en jaren. Om een ​​mens te meten die de 100 meter aflegt, gebruiken we seconden of honderdsten van een seconde. Maar naarmate we dieper in de submicroscopische wereld duiken, bewegen objecten sneller. Om vrijwel onmiddellijke bewegingen te meten, zoals de dans van elektronen, hebben we stopwatches nodig met veel fijnere maatstreepjes: attoseconden.

In 1925 betoogde Werner Heisenberg, een van de pioniers van de kwantummechanica, dat de tijd die een elektron nodig heeft om een ​​waterstofatoom te omcirkelen niet waarneembaar is. In zekere zin had hij gelijk. Elektronen draaien niet rond een atoomkern zoals planeten om sterren draaien. Natuurkundigen begrijpen ze eerder als golven van waarschijnlijkheid die hun kansen geven om op een bepaalde plaats en tijd te worden waargenomen, dus we kunnen een elektron dat letterlijk door de ruimte vliegt niet meten.

Maar in een ander opzicht onderschatte Heisenberg de vindingrijkheid van twintigste-eeuwse natuurkundigen als L'Huillier, Agostini en Krausz. De kans dat het elektron hier of daar is, verandert van moment tot moment, van attoseconde tot attoseconde. En met de mogelijkheid om attoseconde-laserpulsen te creëren die kunnen interageren met elektronen terwijl ze evolueren, kunnen onderzoekers direct verschillende elektronengedragingen onderzoeken.

Hoe produceren natuurkundigen attosecondepulsen?

In de jaren tachtig ontwikkelde Ahmed Zewail van het California Institute of Technology de mogelijkheid om lasers te laten flitsen met pulsen van enkele femtoseconden – duizenden attoseconden. Deze blips, die Zewail in 1980 de Nobelprijs voor de Scheikunde opleverden, waren voldoende om onderzoekers in staat te stellen te bestuderen hoe chemische reacties zich ontvouwen tussen atomen in moleculen. Het voorschot werd gefactureerd als “'s werelds snelste camera. '

Een tijdlang leek een snellere camera onbereikbaar. Het was nog niet duidelijk hoe je licht sneller kon laten oscilleren. Maar in 1987 maakten Anne L'Huillier en haar medewerkers een intrigerende observatie: Als je een licht op bepaalde gassen laat schijnen, zullen hun atomen opgewonden raken en extra lichtkleuren uitzenden die vele malen sneller oscilleren dan de originele laser – een effect dat bekend staat als ‘boventonen’. De groep van L'Huillier ontdekte dat in gassen als argon sommige van deze extra kleuren helderder leken dan andere, maar in een onverwacht patroon. Aanvankelijk wisten natuurkundigen niet goed wat ze met dit fenomeen moesten denken.

Begin jaren negentig gebruikten L'Huillier en andere onderzoekers de kwantummechanica om de verschillende intensiteiten van de verschillende boventonen te berekenen. Ze konden dan precies voorspellen hoe, wanneer een langzaam oscillerende infraroodlaser een wolk van atomen raakte, die atomen op hun beurt stralen van snel oscillerend ‘extreem ultraviolet’ licht zouden uitzenden. Toen ze eenmaal begrepen welke boventonen ze konden verwachten, bedachten ze manieren om deze over elkaar heen te leggen, zodat ze samen een nieuwe golf vormden: een golf met pieken op de attosecondeschaal. Het overhalen van gigantische collectieven van atomen om deze fijn afgestemde golven gezamenlijk te produceren, is een proces dat Larsson vergelijkt met een orkest dat muziek produceert.

In de daaropvolgende jaren hebben natuurkundigen dit gedetailleerde begrip van boventonen benut om attosecondepulsen in het laboratorium te creëren. Agostini en zijn groep ontwikkelden een techniek genaamd Rabbit, of ‘reconstructie van attoseconde-kloppingen door interferentie van twee-fotonovergangen’. Met Rabbit genereerde Agostini's groep in 2001 een reeks laserpulsen, elk met een duur van 250 attoseconden. In hetzelfde jaar gebruikte de groep van Krausz een iets andere methode, bekend als streaking, om te produceren en te bestuderen individuele uitbarstingen, elk met een duur van 650 attoseconden. In 2003 versloegen L'Huillier en haar collega's hen beiden met een laserpuls van slechts 170 attoseconden.

De femtosecondebarrière was doorbroken.

Wat kun je doen met attosecondepulsen?

Met attosecondepulsen kunnen natuurkundigen alles detecteren dat verandert over een tijdsbestek van tientallen tot honderden attoseconden. De eerste toepassing was om te proberen wat natuurkundigen lange tijd voor onmogelijk (of op zijn minst uiterst onwaarschijnlijk) hadden gehouden: om precies te zien wat elektronen van plan zijn.

In 1905 zette Albert Einstein het vakgebied van de kwantummechanica op gang met zijn uitleg van het foto-elektrische effect, waarbij het schijnen van licht op een metalen plaat elektronen de lucht in lanceert (hij zou later in 1921 de Nobelprijs voor de natuurkunde winnen voor zijn theorie). Vóór het tijdperk van de attoseconde-fysica gingen natuurkundigen er doorgaans van uit dat de keten van reacties die leidde tot het vrijkomen van die gelanceerde elektronen onmiddellijk plaatsvond.

In 2010 lieten Krausz en collega's het tegendeel zien. Ze gebruikten attosecondepulsen om elektronen te klokken die loskwamen van neonatomen. Ze ontdekten met name dat een elektron in een toestand met lagere energie zijn gastheer 21 attoseconden sneller ontvlucht dan een elektron in een toestand met hogere energie. En in 2020 nog een groep vertoonde dat elektronen tientallen attoseconden sneller ontsnappen uit vloeibaar water dan uit waterdamp.

Verdere toepassingen van attosecondepulsen zijn in ontwikkeling. De techniek zou een verscheidenheid aan elektronenactiviteiten kunnen onderzoeken, waaronder hoe de deeltjes elektrische lading dragen en blokkeren, hoe elektronen tegen elkaar stuiteren en hoe elektronen zich collectief gedragen. Krausz schijnt ook flitsen van attoseconden op menselijk bloed. Vorig jaar hij hielp tonen dat minuscule veranderingen in een bloedmonster kunnen aangeven of iemand kanker in een vroeg stadium heeft, en welke soort.

Eerder deze ochtend had het Nobelcomité problemen met het bereiken van L'Huillier om haar te informeren dat zij de vijfde vrouw in de geschiedenis was die de Nobelprijs voor natuurkunde verdiende. Toen ze dat eindelijk deden, na drie of vier gemiste oproepen, was ze bezig met het geven van een lezing aan haar studenten. Het is haar gelukt Maak het af, hoewel ze zei dat het laatste halfuur erg moeilijk was. “Ik ben momenteel erg ontroerd”, zei ze later.