Ultrakorte lichtpulsen leggen atomaire golffuncties vast
Een internationaal team van onderzoekers is erin geslaagd om met extreem korte lichtpulsen interferenties tussen elektronen te meten. Deze interferentiepatronen geven direct uitsluitsel over de fase van de golffuncties van elektronen, die gevormd worden bij de ionisatie van atomen. Hiermee is het mogelijk om details omtrent het golfkarakter van elektronen experimenteel waarneembaar te maken. Tot dusverre bestonden dergelijke details alleen als quantummechanisch concept in theoretische berekeningen. De onderzoekers publiceerden hun resultaten in de Nature Physics van mei 2006. Zij haalden met hun onderzoek ook de omslag van Nature Physics.
De quantummechanica beschrijft alle eigenschappen van materie met behulp van zogenaamde golffuncties. Golffuncties beschrijven de waarschijnlijkheid dat een elektron op een bepaalde plaats, of met een bepaalde snelheid aangetroffen kan worden. Ze beschrijven ook hoe – net als licht – materie zich soms als een deeltje gedraagt, en soms als een golf. Golffuncties zijn wiskundig gezien complexe grootheden, en hebben zowel een amplitude als een fase. Hoewel theoretici routinematig complexe golffuncties uitrekenen en gebruiken om bijvoorbeeld reacties te voorspellen, is de experimentele bepaling van zowel de amplitude als de fase van een golffunctie zeer moeilijk. De meeste experimenten geven slechts informatie over de amplitudes van golffuncties, en niet over hun fase.
Interferentie
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam, Louisiana State University in de Verenigde Staten, Lund University in Zweden en de Ecole Nationale Supérieure des Techniques Avancées in Parijs hebben nu een techniek ontwikkeld waarmee zij de fase van een elektronische golffunctie kunnen meten. De techniek is gebaseerd op het meten van interferenties tussen elektronen.
Interferentie is de gezamenlijke werking van een aantal gelijksoortige golven op dezelfde tijd en plaats. Daarbij kunnen zich verschillende verschijnselen voordoen, afhankelijk van de frequentie, amplitude en fase van de golven. Er ontstaat in alle gevallen een interferentiepatroon. Daarin ontstaan plaatsen waar de golven elkaar versterken en er ontstaan plaatsen waar de golven elkaar uitdoven. Interferentie laat zien dat deeltjes een golfkarakter kunnen hebben.
Het experiment
Voor de experimenten gebruikten de onderzoekers een opstelling voor het maken van 'treinen' van attosecondepulsen (1 attoseconde is slechts een-miljardste-van-een-miljardste van een seconde) in het Zweedse Lund. Attosecondepulsen, pulsen van slechts enkele honderden attoseconden lang, zijn de kortste lichtpulsen die wetenschappers kunnen maken. Deze pulsen stellen wetenschappers in staat om de bewegingen van de snelste deeltjes in atomen en moleculen – de elektronen – vast te leggen.
De onderzoekers stelden argonatomen bloot aan een trein van attosecondepulsen met een onderlinge vertraging van 1,3 femtoseconden (één femtoseconde is een-miljoenste-van-een-miljardste van een seconde) en aan pulsen van een intense nabij-infrarode laser. Als gevolg van de absorptie van de attosecondepulsen ontsnappen er elektronen uit het atoom. Deze elektronen voelen vervolgens het intense nabij-infrarode laserveld. Hierdoor verandert hun snelheid. Elektronen die door opeenvolgende attosecondepulsen ontsnappen uit de argonatomen en die een verschillende snelheid krijgen in het infrarode laserveld, interfereren met elkaar. Ze vormen gecompliceerde interferentiepatronen. Met een speciale elektronendetector die op AMOLF werd ontwikkeld en die voor het experiment naar Lund werd overgebracht, detecteerden de wetenschappers deze patronen.
Door deze interferentie-patronen te analyseren verkregen de wetenschappers unieke informatie over het golfkarakter van de elektronen en met name ook over de fase van de elektronische golffuncties. Op basis van deze experimenten verwachten de wetenschappers dat in de toekomst een volledige karakterisatie van de fase van elektronische golffuncties mogelijk zal zijn.
Geschiedenis en toekomst
De geschiedenis van de waarneming en het gebruik van interferenties in natuurkundig onderzoek gaat terug tot 1801, toen de Engelse natuurkundige Thomas Young de wijze waarop zonlicht door twee smalle spleten bewoog bestudeerde. Op een scherm dat hij op een afstand groter dan de afstand tussen de spleten plaatste, zag hij een interferentiepatroon, waaruit hij opmaakte dat het licht zich gedroeg als een golf. De beroemde natuurkundige Richard Feynman noemde interferentie van licht- of elektrongolven een fenomeen dat "onmogelijk, absoluut onmogelijk, op een klassieke manier verklaard kon worden, en dat het essentiële mysterie van de quantummechanica in zich droeg. Dit is in feite het énige mysterie."
Sinds ongeveer tien jaar gebruiken laserfysici een door Young's experiment geïnspireerde methode om de fase van korte lichtpulsen te meten. Ze meten de fase van femtosecondelaserpulsen routinematig door deze pulsen op te splitsen in twee bundels, en interferenties te meten op het moment dat deze bundels weer samengebracht worden. Mogelijkerwijs zal het in de toekomst mogelijk zijn om met de nu ontwikkelde attoseconde-interferentiemethode routinematig elektronische golffuncties te bepalen.
De resultaten verschenen in het artikel:
Th. Remetter, P. Johnsson, J. Mauritsson, K. Varjú, Y. Ni, F. Lépine, E. Gustafsson, M. Kling, J. Khan, R. López-Martens, K.J. Schafer, M.J.J. Vrakking and A. L'Huillier, Attosecond electron wave packet interferometry, Nature Physics (Advance Online Publication, 30 April 2006).
Zie ook de website van Nature Physics voor de omslag, het artikel en een News and views-artikel gewijd aan dit onderwerp.
Meer informatie is te verkrijgen bij prof.dr.ir. Marc Vrakking, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam, e-mail: prof.dr.ir. Marc Vrakking, telefoon (020) 608 12 34.