Kijken naar ioniserende atomen
Ionisatie van atomen in een sterk elektromagnetisch veld is een quantummechanisch proces: de elektronen ontsnappen uit het atoom via quantumtunneling door een potentiaalbarrière. Voor het eerst is een team van Duitse en Nederlandse onderzoekers (FOM-Instituut AMOLF, Amsterdam) onder leiding van prof. Ferenc Krausz (Max-Planck Instituut voor Quantum Optika in Garching, Duitsland) er nu in geslaagd om elektronen tijdens dit proces waar te nemen. Met ultrakorte laserpulsen lieten de wetenschappers zien dat de ionisatie verloopt in een aantal stappen, die elk enkele honderden attoseconden lang zijn. Dit resultaat is een mijlpaal in de ontwikkeling van de attosecondefysica. Het geeft nieuwe inzichten in de interactie van licht met materie, van belang voor vele gebieden van de wetenschap en techniek. De wetenschappers publiceren hun resultaten in Nature op 5 april 2007.
Om de andere kant van een berg te bereiken, moeten wij mensen eerst de top beklimmen en vervolgens afdalen. De quantummechanica biedt deeltjes een andere manier. Deeltjes kunnen zich van de ene naar de andere kant van een barrière verplaatsen zonder deze barrière volledig te beklimmen, zij bewegen zich horizontaal door de barrière heen. Dit fenomeen, quantumtunneling genaamd, is gebaseerd op het golfkarakter van materie. Voor macroscopische objecten is de kans op quantummechanisch tunnelen verwaarloosbaar, en daarom zien wij tunneling nooit direct om ons heen. In de microscopische wereld is dit anders. De deeltjes bewegen zich met grote waarschijnlijkheid via tunneling door gebieden waar zij zich op basis van klassieke mechanica niet mogen bevinden.
Zoals de zwaartekracht de positie van een rotsblok in een vallei bepaalt, zorgt de elektrostatische kracht ervoor dat de elektronen in een atoom zich stabiel in een klein volume rond de positief geladen atoomkern ophouden. Dit stabiliserende effect beschrijven wetenschappers met behulp van een vallei, die natuurkundigen 'potentiaal' noemen. Tunneling door een dergelijke potentiaal gebeurt in de microscopische wereld overal: het is verantwoordelijk voor het functioneren van elektronische en opto-elektronische systemen zoals tunneldiodes en quantumcascadelasers. Tunneling was echter nog nooit live waargenomen.
Live tunnelen
Een Duits-Nederlandse samenwerking onder leiding van prof. Ferenc Krausz is er nu in geslaagd om elektronen met een laser waar te nemen op het moment dat zij tunnelen door de potentiaalbarrière die hen aan de atoomkern bindt. Zij maakten hierbij gebruik van twee recente ontwikkelingen. Een korte laserpuls kan gezien worden als een lichtgolf die bestaat uit een elektrisch veld dat tussen het begin en het eind van de puls een aantal keren razendsnel op en neer beweegt tussen maximale waarden. Een periode van deze beweging wordt een licht- of veld-oscillatie genoemd. Een aantal jaar geleden hebben wetenschappers nabij-infrarode pulsen gemaakt die zo kort zijn dat ze slechts enkele van deze veldoscillaties bevatten. De tweede ontwikkeling is die van attosecondepulsen in het extreem ultraviolette deel van het spectrum, die perfect gesynchroniseerd zijn aan de korte nabij-infrarode puls.
Het elektrische veld van de intense nabij-infrarode laser oefent een sterke kracht uit op de elektronen in het atoom. Aan de buitenkant van het atoom (rond het verste punt dat de gebonden elektronen bereiken) is deze kracht vergelijkbaar met de kracht die het elektron en de atoomkern op elkaar uitoefenen. De door de laser uitgeoefende kracht volgt het oscillerende elektrische veld van de laser (zie de rode curve in figuur 2) en verandert ongelooflijk snel. In slechts één femtoseconde (1 femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde, 10-15 seconde) verandert de kracht van een kracht die maximaal naar rechts wijst (t1) in een kracht die maximaal naar links wijst (t2), om vervolgens weer terug naar rechts te draaien (t3).
Op momenten dat de elektrische kracht van de laser maximaal is, vormt zich een barrière in de potentiaal van het atoom, waardoor het elektron kan ontsnappen via quantumtunneling. De kans op tunneling hangt sterk af van de hoogte van de barrière, en dus van de sterkte van het elektrisch veld van de laser. Tunneling treedt bij uitstek op als de sterkte van het laserveld maximaal is, dat wil zeggen gedurende een interval van een kleine fractie van een femtoseconde. De experimentele resultaten van de onderzoekers hebben nu voor het eerste expliciet laten zien dat bij de interactie van een korte laserpuls met een atoom de ionisatie in een aantal stapjes verloopt, die elk slechts enkele honderden attoseconden (1 attoseconde is een miljardste van een miljardste van een seconde, 10-18 seconde) duren. De waarschijnlijkheid dat het elektron door de korte puls geïoniseerd wordt neemt namelijk als functie van de tijd niet vloeiend toe maar in duidelijk waarneembare stapjes die een halve oscillatie periode van de laser uit elkaar liggen (zie figuur 3). Met dit resultaat hebben de onderzoekers theorieën ontzenuwd die veronderstelden dat de kans op ionisatie niet zozeer de oscillaties van het elektrisch veld als wel de omhullende van de laserpuls zou volgen.
Truc met neonatomen
Er bestaat geen enkel meetinstrument dat deze ongelooflijk snelle processen direct kan meten. Het enige dat wetenschappers kunnen meten is het eindresultaat van de interactie van de laser met het atoom: de vorming van een vrij elektron en een positief geladen ion. Daarom paste het onderzoeksteam een truc toe.
In hun experiment gebruikten de wetenschappers neonatomen. Deze bestaan uit een positieve kern met daaromheen sterk gebonden elektronen. De nabij-infrarode laser kan ze niet zomaar verwijderen. Om de elektronen toch uit het atoom te verwijderen, en het atoom te ioniseren, is het nodig het atoom eerst met een ultraviolette laser in een aangeslagen toestand te brengen. Door voor deze excitatiestap een attosecondepuls te gebruiken, kon het team het aangeslagen atoom prepareren met een tijdsprecisie van enkele honderden attoseconden. Vervolgens beschoten de onderzoekers het aangeslagen atoom met een puls van de korte nabij-infrarode laser. Omdat zij het atoom met grote tijdsprecisie konden prepareren, konden ze nauwkeurig het moment bepalen waarop het aangeslagen atoom de puls 'ervaart' en dus hoeveel oscillaties van het elektrisch veld van de puls het aangeslagen atoom beïnvloeden.
Door nu de vertraging tussen de attoseconde preparatielaser en de korte nabij-infrarode ionisatielaser te variëren - en daarmee dus het aantal oscillaties van het elektrisch veld -, konden de onderzoekers de bijdragen van individuele elektrische veldoscillaties van de nabij-infrarode laser identificeren. Zo konden de onderzoekers het hele ionisatieproces live meten. Zoals voorspeld door de theorie en geschetst in figuur 3 lieten de metingen drie stappen zien in het ionisatieproces. Deze stappen vielen samen met drie maxima in het elektrische veld van de nabij-infrarode laser. Experimenteel konden de wetenschappers vaststellen dat de lengte van ieder stapje hooguit 400 attoseconden bedroeg.
Nieuw inzicht
Deze eerste experimenten waarin quantumtunneling direct gemeten is, zijn van groot belang voor de ontwikkeling van de attosecondefysica. Ze laten zien dat men quantumtunneling kan gebruiken om intra-atomaire of intra-moleculaire elektronische processen te volgen. De experimenten geven nieuw inzicht in de interactie tussen materie en licht en zijn daarom van belang voor processen als fotosynthese waarin deze interactie een grote rol speelt.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
prof.dr. Marc Vrakking, FOM-Instituut voor Atoom en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam, telefoon (020) 608 13 49/06 48 80 85 58, of met
prof.dr. Ferenc Krausz, Managing Director Max Planck Institute of Quantum Optics, Garching, telefoon +49 893 290 56 12.
Informatie is ook te vinden op: www.attoworld.de, www.munich-photonics.de.