Kor­tas­te ögon­blic­ket

Många av uni­ver­sums störs­ta gåtor byggs upp av hän­del­ser som är så snab­ba att vi IN­TE KAN UPPFATTA DEM. F&F har träf­fat fors­ka­ren som lyc­kas de­la upp se­kun­der i mil­jard­tals bi­tar.

Forskning & Framsteg - - Ledare - Av AN­NA DA­VOUR Fo­to ERIKA WEILAND/ APELÖGA & ISTOCK

När pro­fes­sor An­ne L’huil­li­er går ned­för trap­por­na till la­ser­la­bo­ra­to­ri­et hin­ner hon blin­ka un­ge­fär tio gång­er. Var­je blink­ning va­rar ett par ti­on­de­lar av en se­kund.

Ett ögon­blick. På en mänsk­lig tids­ska­la är det en sorts gräns för hur små ti­der som kan spe­la nå­gon roll. En ra­cer­fö­ra­re kan hin­na uppfatta ett hin­der och bör­ja en un­dan­ma­nö­ver på sam­ma tid som en blink­ning va­rar. Då är det frå­ga om in­trä­na­de re­flex­er – att bli med­ve­ten om vad det är man sett och fun­de­ra på en lämp­lig re­ak­tion tar myc­ket läng­re tid.

Än­då hin­ner så myc­ket hän­da un­der en blink­ning. Ett bi hin­ner slå mer än tio ving­slag. En vat­ten­drop­pe som träf­far en pöl hin­ner bry­ta ge­nom ytan och ab­sor­be­ras. En spräckt bal­long krym­per ihop med en smäll på ba­ra en bråk­del av sam­ma tid.

Mänsk­li­ga sin­nen för­slår in­te långt när det gäl­ler att stu­de­ra rik­tigt snab­ba fe­no­men. Spel­fil­mens tju­go­fy­ra still­bil­der i se­kun­den ter sig för vå­ra ögon som en mjuk och kon­ti­nu­er­lig rö­rel­se. Un­der vis­sa för­hål­lan­den kan en män­ni­ska uppfatta nå­got som blixt­rar för­bi for­ta­re än en bildru­ta i en film, men vi kan till ex­em­pel in­te ur­skil­ja de­lar­na i en rö­rel­se.

På 1800-ta­let på­gick en de­batt om hur häs­tar spring­er: Lyf­ter de nå­gon gång al­la ho­var från mar­ken sam­ti­digt un­der ga­lopp? Frå­gan kun­de av­gö­ras när fo­to­gra­fi­pi­on­jä­ren Ead­weard Muy­bridge lyc­ka­des ta en se­rie bil­der i snabb följd med hjälp av fle­ra ka­me­ror i rad och på så vis fånga ögon­blic­ket då al­la ho­var­na var i luf­ten. Hög­has­tig­hets­fo­to­gra­fe­ring har se­dan dess bli­vit ett verk­tyg för många sor­ters ve­ten­skap­li­ga stu­di­er. Numera går det att med rätt ut­rust­ning och till­räck­ligt starkt ljus ta bil­der på ba­ra mil­jon- el­ler mil­jard­de­lar av en se­kund. Men när fy­si­ker som An­ne L’huil­li­er vill tit­ta in i ato­mer och grans­ka elektro­ner­nas rö­rel­ser, då ta­lar de om mil­jard­de­lar av en mil­jard­dels se­kund: atto­se­kun­der. Då be­hövs en helt an­nan typ av hög­has­tig­hets­verk­tyg.

Forsk­ning­en har många knep för att stu­de­ra fe­no­men som lig­ger långt ut­an­för det vi kan uppfatta med vår oför­stärk­ta syn, hör­sel och kän­sel. Fy­si­ker upp­fin­ner ar­ti­fi­ci­el­la sin­nen för att

upp­fånga elekt­ris­ka och mag­ne­tis­ka fält, ur­skil­ja ny­an­ser i lju­set från rik­tigt av­lägs­na stjär­nor el­ler fånga en­skil­da ele­men­tar­par­tik­lars flykt. Det An­ne L’huil­li­er har äg­nat sin forskar­ba­na åt är att fånga det kor­tast möj­li­ga ögon­blic­ket.

– Jag har ar­be­tat inom näs­tan sam­ma om­rå­de i 30 år. Det är ett pri­vi­le­gi­um att ha fått va­ra med och se he­la forsk­nings­fäl­tet växa fram.

Ögon­blick in­till ögon­blick i tre de­cen­ni­er. Små kor­ta styc­ken av tid bil­dar ett liv – och en forskar­kar­riär. Re­san har gått från Pa­ris till Lund, och från ett förs­ta sug­gestivt ex­pe­ri­mentre­sul­tat till en egen fram­gångs­rik fors­kar­grupp. Nu ut­for­mar de för­sök där ljuspul­ser­na kan an­vän­das för att stu­de­ra de­tal­jer i elektro­ner­nas dans kring atom­kär­nan. För­ra året lyc­ka­des de till ex­em­pel gö­ra en mät­ning som jäm­för den tid det tar för oli­ka elektro­ner i en atom att kas­tas ut från si­na ba­nor (se ru­tan på si­dan 40).

An­ne L’huil­li­er le­tar fram si­na skydds­glas­ö­gon i hyl­lan i labb­kor­ri­do­ren. La­ser­lju­set som an­vänds i för­sö­ken här är in­fra­rött och där­med osyn­ligt, men det är kraf­tigt nog att kun­na ska­da ett oskyd­dat öga om en strå­le skul­le smi­ta ut på fel stäl­le. Se­dan by­ter hon yt­ters­kor­na mot la­bo­ra­to­ri­e­toff­lor. Nu är hon klar för att sti­ga in i ett av de tre rum­men som rym­mer la­ser­sy­ste­men.

Mel­lan vi­ta väg­gar ly­ser hårt lys­rörs­ljus över ex­pe­ri­ment­ut­rust­ning­en. Själ­va la­se­rop­ti­ken är dold inu­ti svar­ta lå­dor som tar upp en stor del av rum­met. På ena si­dan av la­bo­ra­to­ri­et syns de stål­blan­ka höl­je­na runt kam­ma­ren, där ljuspul­ser som ba­ra är kring 100 atto­se­kun­der långa får mö­ta ga­sa­to­mer. Ut från den le­der ett rör där elektro­ner fär­das när de har stötts ut från si­na ato­mer. En av dok­to­ran­der­na i fors­kar­grup­pen, Da­vid Busto, står och tit­tar li­te be­kym­rat på en skärm. En grupp stu­den­ter på mas­ter­ni­vå har la­bo­ra­tions­öv­ning i dag, men han har skic­kat dem på rast. Da­torn häng­de sig, och nu gäl­ler det att få i gång den igen. He­la ex­pe­ri­mentupp­ställ­ning­en kan va­ra hur bra som helst, men om in­te da­torn lä­ser ut sig­na­ler­na är fors­ka­ren blind och döv för det som hän­der.

Att ar­be­ta med det som lig­ger så långt bort­om vad mänsk­li­ga sin­nen kan uppfatta, in­ne­bär att nys­ta sig fram i fle­ra led ge­nom ex­pe­ri­men­ten. Här bör­jar det med la­ser­lju­set, som rus­kar om ato­mer och ska­par nytt ljus med nya egen­ska­per. Då bil­das de ex­tremt kor­ta ljus­blix­tar som är nyc­keln till atto­se­kund­fy­si­ken. De har en tids­ska­la som över­ens­stäm­mer med ato­mer­nas egen in­bygg­da rytm.

Atom­fy­sik är elektro­ner­nas fy­sik. En atoms egen­ska­per be­stäms av de elektro­ner som kret­sar kring kär­nan, som ger ato­men dess form och stor­lek och som är ato­mens kon­tak­ty­ta mot om­värl­den. Elektro­ner­na kan in­te be­te sig hur som helst, ut­an mås­te hål­la sig till vis­sa till­gäng­li­ga ba­nor med be­stäm­da ener­gi­er. När elektro­ner flyt­tar sig mel­lan ba­nor, el­ler slung­as ut från sin atom, sker det ty­piskt på någ­ra ti­o­tal atto­se­kun­der. Det är så­da­na hän­del­ser som An­ne L’huil­li­er och hen­nes fors­kar­grupp stu­de­rar.

An­ne L’huil­li­er har ve­lat bli fors­ka­re så länge hon minns. En av fö­re­bil­der­na var hen­nes mor­far, som dog när hon var fem år. För den unga An­ne blev be­rät­tel­ser­na om ho­nom en sorts fa­mil­je­le­gend. Un­der kri­get hjälp­te han mot­stånds­rö­rel­sen, men han gjor­de det in­te med va­pen, ut­an som ra­di­o­in­gen­jör – med ve­ten­ska­pen till hjälp. Det gjor­de in­tryck.

In­tres­set för na­tur­ve­ten­skap fick hen­ne att bör­ja lä­sa ma­te­ma­tik och fy­sik på uni­ver­si­te­tet i Pa­ris. Hon ha­de någ­ra myc­ket bra lä­ra­re som loc­ka­de hen­ne att in­rik­ta in sig på atom­fy­sik, bland an­nat Clau­de Co­hen-tan­noud­ji, som se­na­re be­lö­na­des med ett No­bel­pris. Ut­bild­ning­en var över­vä­gan­de te­o­re­tisk, men när hon se­dan sök­te fors­kar­ut­bild­ning drogs hon till nå­got mer ex­pe­ri­men­tellt.

– Jag vil­le gö­ra nå­got kon­kret med hän­der­na. Det blir mer verk­ligt då, sä­ger hon.

Av­hand­ling­en hand­la­de re­dan den om ato­mer och la­ser­ljus. Se­na­re fick hon an­ställ­ning på forsk­nings­in­sti­tu­tet i Saclay ut­an­för Pa­ris. Där var ett sam­ar­be­te i gång med Lunds uni­ver­si­tet, som vid den här ti­den höll på att byg­ga upp ett avan­ce­rat la­ser­la­bo­ra­to­ri­um.

An­ne L’huil­li­er be­sök­te Lund 1992 för att del­ta i de ti­di­ga ex­pe­ri­men­ten vid det nya la­bo­ra­to­ri­et. Här lär­de hon kän­na en an­nan ung fors­ka­re, som se­na­re blev hen­nes man.

Någ­ra år se­na­re sök­te hon sig till­ba­ka till Lund och fick en an­ställ­ning vid uni­ver­si­te­tet, där hon se­dan blev ut­nämnd till pro­fes­sor 1997.

År 2001 på­vi­sa­des de förs­ta pul­ser­na som kun­de mä­tas i atto­se­kun­der. An­ne L’huil­li­er och hen­nes fors­kar­grupp låg in­te långt ef­ter. År 2003 ha­de de världs­re­kor­det för de kor­tas­te pul­ser­na som nå­gon­sin ska­pats: 170 atto­se­kun­der.

Vart fy­si­ken skul­le le­da hen­ne ana­de hon knap­past när hon bör­ja­de stu­de­ra.

– Jag viss­te att det är svårt att bli någon­ting i for­skar­värl­den. Men jag be­stäm­de mig för att för­sö­ka och se hur långt jag kun­de kom­ma. Hon fun­de­rar li­te. – Och det gick ju gans­ka bra, tilläg­ger hon.

Ef­ter mer än tret­tio års ar­be­te med lik­nan­de sa­ker är en del tan­ke­ba­nor myc­ket väl uppö­va­de. I si­na re­so­ne­mang rör sig An­ne L’huil­li­er vant mel­lan oli­ka per­spek­tiv som kan va­ra svå­ra att hänga med i för den som in­te vant sig vid ato­mer­nas värld. Elektro­ner är in­te små hår­da ku­lor, så som de of­ta ri­tas i skol­böc­ker­na, ut­an moln av san­no­lik­het som bäst be­skrivs med sam­ma sorts ma­te­ma­tik som vå­gor. Men det hind­rar in­te att de i vis­sa lä­gen fak­tiskt är lät­ta­re att för­stå om de be­trak­tas som små pa­ket, näs­tan som de där teck­na­de ku­lor­na.

På lik­nan­de sätt är det med lju­set. Ibland pas­sar det bäst att tän­ka på det som vå­gor, ibland mer som en ström av par­tik­lar. Det be­ty­der in­te att fy­si­ker­na in­te be­gri­per vad ljus är, ut­an att lju­sets na­tur helt en­kelt bäst be­skrivs på oli­ka sätt be­ro­en­de på vad det är som ska räk­nas ut el­ler be­skri­vas för till­fäl­let.

Men An­ne L’huil­li­er väx­lar dess­utom of­ta mel­lan två oli­ka sätt att tän­ka på ljus­vå­gor­na, två per­spek­tiv som på hen­nes fy­si­ker­språk he­ter ”tids­do­män” och ”fre­kvens­do­män”. Det är här som själ­va hem­lig­he­ten bakom atto­se­kund­pul­ser­na göm­mer sig. Vå­gor­na be­trak­tas an­ting­en som en form som bre­der ut sig och änd­ras med ti­den, el­ler ock­så ut­går man från an­ta­let sväng­ning­ar per se­kund – fre­kven­sen.

En ma­te­ma­tiskt per­fekt en­skild våg­form har sam­ma run­da och mju­ka form på varen­da topp och dal. Den kal­las för en si­nus­våg. Vil­ken form som helst kan fak­tiskt be­skri­vas som en kom­bi­na­tion av per­fek­ta si­nus­vå­gor av oli­ka fre­kven­ser och med oli­ka styr­ka. Och om­vänt kan den som har möj­lig­het att till­ver­ka rätt kom­bi­na­tion av fre­kven­ser ock­så ska­pa en god­tyck­lig form. När de oli­ka vå­gor­na sväng­er till­sam­mans kom­mer de att för­stär­ka varand­ra på vis­sa stäl­len och släc­ka ut varand­ra på and­ra stäl­len.

Be­ro­en­de på hur­da­na vå­gor som bi­drar kan den kom­bi­ne­ra­de vå­gen få vil­ken fa­son som helst. Det går att gö­ra en våg tre­kan­tig el­ler fyr­kan­tig – el­ler ult­ra­kort och av­grän­sad som här i atto­se­kund­lab­bet. Hasti­ga och skar­pa för­änd­ring­ar krä­ver många vå­gor med höga fre­kven­ser, allt­så så­da­na som sväng­er myc­ket has­tigt.

För att ska­pa de ex­tremt kor­ta ljuspul­ser­na lå­ter An­ne L’huil­li­er och hen­nes kol­le­ger la­ser­ljus ly­sa på ett moln av ato­mer, där det får elektro­ner­na att svänga på ett spe­ci­ellt vis. Elektro­ner­na skic­kar då ut nytt ljus, med fre­kven­ser som ut­gör höga över­to­ner till la­ser­lju­set. Det kan tyc­kas li­te kons­tigt att ta­la om att ljus har to­ner, men or­det är helt en­kelt över­ta­get från aku­sti­ken. Det som ger till ex­em­pel en fi­ol just dess egen spe­ci­el­la klang är att var­je ton som spe­las in­ne­hål­ler över­to­ner, som sväng­er många gång­er ut­med sträng­ens längd. På sam­ma sätt kan allt­så la­ser­lju­sets sväng­ning­ar få över­to­ner när det ly­ser ge­nom rätt me­dium.

När de här över­to­ner­na lig­ger i fas med varand­ra på rätt sätt läggs de ihop till en se­rie av ex­tremt kor­ta ljuspul­ser som föl­jer i ett tåg ef­ter varand­ra. I fre­kvens­do­mä­nen finns en snygg sam­ling av över­to­ner med oli­ka fre­kven­ser, i tids­do­mä­nen finns i stäl­let en följd av atto­se­kund­pul­ser.

Upp­täck­ten av över­to­ner­na led­de re­dan den till nya in­sik­ter om hur ato­mer re­a­ge­rar på ljus. Se­dan dess har många oli­ka för­sök gjorts med att kun­na un­der­sö­ka och be­härs­ka själ­va pul­ser­na. Fors­ka­re har sål­lat ut en­sta­ka över­to­ner, ge­ne­re­rat en­sam­ma atto­se­kund­pul­ser el­ler ma­ni­pu­le­rat and­ra egen­ska­per, som till ex­em­pel lju­sets po­la­ri­se­ring.

När An­ne L’huil­li­er 1987 för förs­ta gång­en såg höga över­to­ner från la­ser­ljus var det in­te mer än en hand­full fors­kar­grup­per i värl­den som ar­be­ta­de med lik­nan­de sa­ker. Nu finns det hund­ra­tals la­bo­ra­to­ri­er där fors­ka­re äg­nar sig åt atto­se­kund­fy­sik. I Sve­ri­ge har Lund

fram till helt ny­li­gen va­rit en­samt om den här sor­tens ex­pe­ri­ment. Nu har de fått säll­skap av fors­ka­re vid fle­ra and­ra lä­ro­sä­ten, bland an­nat ett helt nytt la­bo­ra­to­ri­um vid Umeå uni­ver­si­tet.

Nu när pul­ser­na kan be­härs­kas är de in­te läng­re ba­ra stu­di­e­ob­jekt i sig själ­va, ut­an ock­så ett vär­de­fullt verk­tyg. De kan fun­ge­ra som en hög­has­tig­hetska­me­ra som fil­mar elektro­ner­na i de­ras rö­rel­se och ur­skil­jer dy­na­mi­ken i det som ti­di­ga­re ba­ra kun­de be­skri­vas som en ome­del­bar för­änd­ring. Det bör­jar bli möj­ligt att föl­ja hur elektro­nen upp­för sig inu­ti sin atom el­ler mo­le­kyl.

Det finns till och med in­tres­se från elekt­ro­nik­in­du­strin som har vitt­ring på en möj­lig tillämp­ning, be­rät­tar An­ne L’huil­li­er.

– Men jag ska in­te gå in i de­talj, för det är li­te hem­ligt.

Da­vid Busto har fått i gång da­torn och kal­lar till­ba­ka stu­den­ter­na från fi­karum­met. An­ne L’huil­li­er kom­men­te­rar den opla­ne­ra­de vän­te­ti­den:

– Nu får ni li­te er­fa­ren­het av hur forsk­ning är. Of­tast får man käm­pa li­te för att få re­sul­tat.

Kur­sen i väx­el­ver­kan mel­lan ljus och ma­te­ria sägs va­ra en av de svå­ras­te på fy­sik­ut­bild­ning­en vid Lunds uni­ver­si­tet. Men det kan va­ra värt det, att som stu­dent på grund­ut­bild­ning­en få kän­na på ett verk­ligt ex­pe­ri­ment, rik­tigt nä­ra forsk­nings­fron­ten.

För­sö­ket går ut på att se att det fak­tiskt är atto­se­kund­pul­ser som ge­ne­re­ras av la­sern. Tå­get av atto­se­kund­pul­ser skic­kas in i en gas, till­sam­mans med en för­dröjd del av det ur­sprung­li­ga la­ser­lju­set. Till­sam­mans på­ver­kar de bå­da strå­lar­na ga­sa­to­mer­nas elektro­ner, och någ­ra av dem kas­tas ut och kan fång­as upp.

Mät­ning­en vi­sar sig på skär­men som fär­ga­de band av elektro­ne­ner­gi­er. Ban­den mot­sva­rar över­to­ner­na i lju­set som stö­ter ut elektro­ner­na, men ock­så kom­bi­na­tio­nen av över­to­ner­na och det in­fra­rö­da la­ser­lju­set. Vis­sa av ban­den va­ri­e­rar i styr­ka när för­dröj­ning­en mel­lan la­ser­lju­set och tå­get av atto­se­kund­pul­ser änd­ras, så att de kor­ta pul­ser­na kom­mer fram på oli­ka stäl­len i det in­fra­rö­da la­ser­lju­sets sväng­ning. Med ett ma­te­ma­tiskt knep kan stu­den­ter­na nu vi­sa att mönst­ret be­ty­der att där fanns atto­se­kund­pul­ser.

– Ni har just ska­pat en av de ­kor­tas­te hän­del­ser man kan mä­ta i uni­ver­sum, po­äng­te­rar An­ne L'huil­li­er.

En så­dan pre­sta­tion kan va­ra värd en viss an­sträng­ning. l

An­ne L'huil­li­er har ar­be­tat med ato­mer och la­ser­ljus i mer än 30 år. Här i la­bo­ra­to­ri­et gör hon bå­de forsk­nings­ex­pe­ri­ment och stu­dent­la­bo­ra­tio­ner.

La­ser­lju­set styrs och for­mas med op­tis­ka kom­po­nen­ter. Atto­se­kund­fy­si­ken hand­lar dels om att för­bätt­ra och för­stå la­ser­lju­set, dels om att an­vän­da de kor­ta ljuspul­ser­na som verk­tyg i nya för­sök.

Dok­to­ran­den ­Da­vid Busto ­tit­tar be­kym­rat på ­da­torn som ska lä­sa sig­na­ler­na från ex­pe­ri­men­tet med atto­se­kund­pul­ser. Den har just hängt sig.

Newspapers in Swedish

Newspapers from Sweden

© PressReader. All rights reserved.