Je leest:

Race naar de kortste lichtflits

Race naar de kortste lichtflits

Auteur: | 4 december 2003

Natuurkundigen van het FOM-instituut voor Atoom en Molecuul-Fysica (AMOLF) hebben als eersten in Nederland een serie lichtflitsjes van attoseconden lang gemaakt. Die extreem korte laserpulsjes (een attoseconde is 10-18 seconde) kunnen de beweging van elektronen in atomen volgen. Maar het team ontwikkelde ook een techniek waarmee uiteindelijk losse lichtpulsjes zijn te meten, een noodzaak voor verder onderzoek. Het team van dr. Marc Vrakking publiceert zijn resultaten in het vakblad Physical Review Letters.

Een attoseconde is waanzinnig kort: achttien nullen achter de komma. Prof. dr. Harm-Greet Muller van AMOLF haast zich een kanttekening te plaatsen: “we hebben het in de experimenten over lichtpulsjes van zo’n 200 attoseconden lang.” Muller werkte mee aan het experiment in Parijs in 2001, waarbij voor het eerst zulke korte lichtpulsen werden gemaakt. Hoewel de Amsterdamse natuurkundigen de eersten in Nederland zijn die de attopulsen wisten te maken, is hun echte doorbraak een nieuwe methode om die pulsen daarna ook te meten.

“Een pulstreintje krijg je bijna automatisch als je de juiste laserpuls door een edelgas stuurt,” aldus Muller. De echte uitdaging ligt ook volgens hem in het maken en aantonen van losse pulsen. Dat zouden ideale instrumenten zijn om op hele korte tijdschaal een experiment te volgen. Voorlopig komt er een hele trein van lichtpulsen uit de opstelling.

Pulstrein: De afstand tussen twee opeenvolgende pulsjes hangt af van de frequentie van de laser die de pulsen uit edelgasatomen vrijmaakte. Elk piekje duurt 200 attoseconde.

Vrakking’s team toonde dat aan door met een tweede laser UV-licht elektronen in het edelgas argon aan te slaan. Zo’n argon-atoom kan tegelijkertijd een zetje krijgen van één foton uit een attopuls en één uit de tweede laser. Zulke atomen geven daarna karakteristieke lichtflitsen af. Door een hele reeks van die flitsen te vergelijken lieten de onderzoekers zien dat ze een nette serie lichtpulsjes hadden gemaakt. Deze methode werkt volgens Muller ook als er maar één zo’n korte puls langskomt. Dat is een grote winst ten opzichte van de techniek die twee jaar eerder door het team in Parijs werd gebruikt. Die werkte alleen voor langere pulstreinen. Ook al kon een opstelling één enkele lichtpuls maken, dat zou met die oude methode niet te meten zijn.

Bruikbaar in experimenten

De extreem korte lichtflitsen zijn niet zomaar een record om na te streven, ze zijn ook erg handig in experimenten. Met zo’n lichtflits kun je een scherp, kort tikje tegen een atoom geven, in plaats van een lange duw. Het atoom krijgt dan de kans om zich meteen na de tik normaal te gedragen. Langere lichtpulsen verdoezelen dat korte-termijn gedrag juist. Een kort pulsje is daarom goed in het in kaart brengen van hele snelle verschijnselen. Het is net als foto’s nemen: hoe sneller je onderwerp beweegt, hoe korter de sluitertijd moet zijn om het op de foto te ‘bevriezen’. Als je te lang doet over je blik op je onderwerp, krijg je een gemiddelde te zien.

Deze foto van een nachtelijke snelweg is zeker mooi, maar de auto’s zie je niet meer. De sluitertijd is zó lang, dat een auto de hele weg af kan rijden terwijl de foto het licht opvangt. Neem je de foto langzaam, dan zie je je onderwerp niet op één plek, maar uitgesmeerd. Mooi, maar niet handig in wetenschappelijke experimenten!

Een lichtpuls van een femtoseconde (10-15 seconde) is kort genoeg om de beweging van hele atomen en moleculen te volgen. In de tijd die de lichtpuls nodig heeft om op een atoom in te werken, beweegt dat (bij kamertemperatuur!) namelijk maar nauwelijks. In een experiment met zo’n lichtpuls zie je atomen dan ook op één plaats stilstaan. Maar elektronen bewegen veel sneller en er zijn dan ook kortere pulsen nodig om die scherp in beeld te krijgen. Gebruik je daar óók pulsen van een femtoseconde voor, dan zie je het elektron uitgesmeerd. Attoseconde-pulsen zijn nodig om het elektron ‘stil te zetten’ en het gedrag ervan te volgen. Het AMOLF-team heeft nu een techniek in handen om dat soort losse pulsen te gaan maken.

Deze foto van een snelweg is met een kortere sluitertijd genomen dan die hierboven. De auto’s hadden dan ook geen tijd om te bewegen in de tijd dat de sluiter open stond. Attoseconde-pulsen duren kort genoeg om de beweging van elektronen op soortgelijke manier vast te leggen.

Prof. dr. Muller kan wel een aantal experimenten bedenken waarbij de Amsterdamse pulsen van pas komen. “Er zijn natuurlijk veel vakgebieden waar dingen op dit soort tijdschalen gebeuren. Een vaste-stof fysicus wil misschien volgen hoe elektronen in een zonnecel reageren op een inslaand foton. In moleculen kun je gaan bekijken hoe de energie van één aangeslagen atoom zich naar de andere atomen in het molecuul verplaatst.” Waar de lichtflitsjes ook terecht komen, ze zullen hopelijk een hoop licht op onbekende verschijnselen werpen.

Laser dwingt elektronen pulsen te maken

Om hun pulsen te maken gebruikten Vrakking en zijn team een speciale UV-laser. Die lieten ze heel snel op volle sterkte komen en meteen daarna weer afzwakken. Licht is een golvend elektromagnetisch veld, en dat is bij deze laser dan ook het geval. Het veld van de laserbundel kan elektronen uit edelgasatomen losrukken en ze vervolgens weer terugduwen: bij die ruwe behandeling gaat een klein beetje energie verloren. Die energie komt vrij als een extreem kort lichtpulsje. Omdat het veld van de laser in de tijd tussen aanzwellen en afzwakken een aantal schommelingen maakt en elke schommeling een puls oplevert, wordt er niet één, maar een serie pulsen gemaakt. Vrakking en zijn team wisten een treintje van zo’n 10 pulsen van 200 attoseconde elk te maken.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 04 december 2003
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.