Ultrakorta laserpulser avslöjar elektronpars flyktmekanism

Med hjälp av extremt korta laserpulser kan forskare göra mätningar av hur elektronerna rör sig kring en atom. Experimentella fysiker vid Lunds universitet har lyckats genomföra mätningar av det komplicerade förloppet där två elektroner tillsammans kastas ut från en atom. Frågan är nu om de kastas ut samtidigt eller efter vandra. För att analysera datan har teoretiker från Stockholms universitet och Canberras universitet bidragit med beräkningar. Studien publiceras nu i den vetenskapliga tidskriften Nature Physics.

En atom består av en positivt laddad kärna och ett antal negativt laddade elektroner. Laddningarna balanserar varandra så att atomen som helhet är neutral. Tar man bort eller lägger till en eller flera elektroner från atomen blir den laddad och kallas då för en jon.

Ett orsak till att två elektroner skickas ut från atomen efter att denna växelverkat med laserljus är att den först frigjorda elektronen krockar med en annan av atomens elektroner på vägen ut. Denna andra elektron frigörs därmed en aning senare, och det är denna tidsfördröjning  som man nu kan mäta experimentellt.
Ett orsak till att två elektroner skickas ut från atomen efter att denna växelverkat med laserljus
är den först frigjorda elektronen krockar med en annan av atomens elektroner på vägen ut.
Denna andra elektronen frigörs därmed en aning senare, och det är denna tidsfördröjning
som man nu kan mäta experimentellt.
Att joner kan bildas när man till exempel belyser atomer med tillräckligt kortvågigt, det vill säga energirikt, ljus är känt sedan lång tid tillbaka. Processen som frigör en elektron förklarades av Einstein redan 1905, men när två eller fler elektroner samordnar sin flykt blir det svårare att beskriva. Inte förrän de senaste åren har forskarna haft tillgång till mätmetoder som är så exakta att de kan följa det snabba förloppet.

– Tidsskalan för elektronernas rörelse är attosekunder. Sju attosekunder förhåller sig till en sekund som en sekund till jordens ålder, säger Mathieu Gisselbrecht, fysikforskare vid Lunds universitet.

I den aktuella studien belyser forskarna grundämnet xenon (Xe) med en serie laserpulser som skapas vid högeffektlaserlaboratoriet i Lund och som var och en är fyrahundra attosekunder lång. Två elektroner kastas ut från xenonatomerna och Xe2+ joner bildas. Forskarna kan följa hela processen som en följd av ögonblicksbilder med hjälp av ett synkroniserat laser fält med lång våglängd.

– Laserfältets svängningar fungerar som en klocka för att veta vid vilken tid elektronerna släpps ut ur atomen, säger Marcus Dahlström, post-doktor i teoretisk atomfysik vid Stockholms universitet.

För att kunna förstå mätprocessen måste detaljerade beräkningar göras för att beskriva växelverkan mellan de båda elektronerna och laserfälten. För att två elektroner ska kunna frigöras måste någon form av interaktion (korrelation) mellan elektronerna finnas.

– Frågan är vilken typ av korrelation som dominerar och hur lång tid den tar, säger Marcus Dahlström. Till exempel kan den första elektroner krocka med den andra; eller så kan jonen ”skaka loss” den andra elektronen.

– Vårt experiment ger oss för första gången möjlighet att studera en sådan samordnad rörelse av två elektroner i ett material, detta har intresserat forskarna sedan upptäckten av gasurladdningslampan och är centralt i förståelsen av kemiska reaktioner, säger Mathieu Gisselbrecht.

Resultatet kan få betydelse för flera olika tillämpningar. Hur kemiska ämnen växelverkar med ljus i så kallade fotorektioner är intressant inom till exempel materialvetenskap och biologi.

– En bättre förståelse för fotoreaktioner är viktig för att kunna förbättra till exempel omvandling av ljus till elektrisk ström, säger Mathieu Gisselbrecht.

Studien är ett samarbete mellan forskare från avdelningarna för Synkrotronljusfysik och Atomfysik vid Lunds Universitet, Stockholms universitet och Canberras universitet i Australien.

Artikeln finns att läsa här: Double ionization probed on the attosecond timescale

marcusevaKontakt vid SU:
Marcus Dahlström, post-doktor vid Fysikum, Stockholms universitet
marcus.dahlstrom@fysik.su.se
Eva Lindroth, professor vid Fysikum, Stockholms universitet
eva.lindroth@fysik.su.se

Share this post
  •  
  •  
  •  
  •