ATTOSEKUNDPULSER LÖSER ATOMGÅTA
l Med hjälp av sina attosekundpulser har Anne L’huillier och hennes forskargrupp kunnat detaljstudera en typ av elektronexperiment som hade stor betydelse när den moderna fysiken växte fram.
Under 1800-talet upptäcktes att ljus som lyser på ett material kan få elektroner att lossna från sina atomer och ge sig till känna som en elektrisk signal. Det kallas för den fotoelektriska effekten. Men om ljuset har fel färg spelar det ingen roll hur mycket man ökar styrkan – elektronerna stannar ändå envist kvar. Det var en av fysikens stora gåtor kring år 1900.
Albert Einstein tog sig an frågan och kom fram till att ljus inte uppför sig som en vågrörelse när det växelverkar med elektroner. I stället är ljuset uppdelat i enskilda energipaket, ljuspartiklar, som vi kallar för fotoner. En elektron kan bara sluka hela fotoner, aldrig bråkdelar av dem. Om en elektron inte innehåller tillräckligt mycket energi för att elektronen ska kunna slita sig loss från sin atom, kan elektronen inte ta upp den alls, utan förblir opåverkad. Men om fotonen innehåller mer energi än vad som behövs, kan elektronen absorbera den. Energiöverskottet gör att elektronen slungas i väg från atomen.
Förklaringen av den fotoelektriska effekten gav Albert Einstein Nobelpriset i fysik 1921. Insikten att ljuset består av separata energipaket blev också en av grundpelarna för kvantfysiken, som började ta form på 1920-talet. Fotonernas energi hänger ihop med frekvensen, det vill säga färgen. Ju blåare ljuset är, desto mer energi innehåller varje enskild foton. Bortom blått finns det ultravioletta ljuset, som vi inte kan se, och röntgen- och gammastrålning, med ännu mer energi per foton. Genom att bombardera atomer med ljus med olika frekvenser och studera hur mycket energi de utslungade elektronerna har kvar när de har tagit sig ut ur atomens kraftfält, har fysiker noggrant kartlagt atomernas energinivåer.
Med attosekundpulserna går det nu dessutom att följa elektroner på deras väg ut ur atomen. Förra året lyckades Anne L’huillier och hennes forskargrupp jämföra den tid det tar för två olika elektroner i en neonatom att stötas ut. Det skiljer bara cirka tio attosekunder, beroende på hur löst eller hårt bunden elektronen är.
En tidigare mätning av en annan forskargrupp stämde inte överens med de teoretiska beräkningarna. Under sju år var det hela något av en olöst gåta. Anne L'huilliers forskargrupp kunde med sin nya mätning visa att det berodde på att ännu en process var inblandad, där vissa elektroner kunde ruskas till och hamna i en högre och lösare bunden bana inuti atomen. Med bättre upplösning på mätningen kunde energin som hamnar hos de ”uppskakade” elektronerna skiljas ut i mätningen. Processen visade sig då stämma med den teoretiska förståelsen av atomen.