Atoom maakt hologram van zichzelf
Onderzoekers van de FOM-instituten AMOLF en Rijnhuizen hebben voor het eerst in de geschiedenis een hologram van een atoom gemaakt met behulp van de elektronen van het atoom zelf. Hierbij werd gebruik gemaakt van de unieke eigenschappen van FELICE, de nieuwe vrije-elektronen laser voor intra-cavity experimenten van Rijnhuizen. Daarnaast hebben de onderzoekers samen met een internationaal onderzoeksteam bewezen dat hele snelle bewegingen van zowel het elektron als van het achtergebleven ion 'opgeslagen' worden in het hologram. Deze ontdekking zou kunnen leiden tot een nieuwe aanvullende techniek om processen te ontrafelen op een zeer korte tijdschaal en kan inzicht geven in belangrijke chemische reacties om ons heen. Voor FOM-oio Ymkje Huismans is dit een zeer goede eerste publicatie als eerste auteur: Science publiceert de onderzoeksresultaten vandaag online.
Holografie met getunnelde elektronen
De meeste mensen kennen holografie in de vorm van de 'regenboogplaatjes' in hun credit card en van afbeeldingen die driedimensionaal lijken maar het niet echt zijn. Een hologram wordt gemaakt door een coherente licht- of elektronenbundel in tweeën te splitsen. Een van de bundels belicht een object, de tweede bundel doet dat niet. Als beide bundels weer bij elkaar komen vormen ze een interferentiepatroon, waarin alle informatie van het object ligt opgeslagen.
Dit idee hebben Huismans en haar collega's gebruikt om informatie uit atomen op te slaan. Met FELICE hebben Huismans en haar collega's atomen geïoniseerd en de vrijgekomen elektronen gebruikt om een hologram te maken. De eerste stap was het maken van een coherente elektronenbron, op enige afstand van het ion vandaan. De onderzoekers ioniseerden atomen met FELICE door met infrarood laserlicht een atoom te beschijnen. Telkens als het veld van laser het sterkste is, komt er een elektron vrij, op een afstand die wel dertig keer zo groot is als de afstand van het binnenste elektron tot de kern. Deze 'tunnelionisatie' heeft bovendien de eigenschap dat de vrijgekomen elektronen altijd dezelfde fase hebben en dus coherent zijn.
Na het maken van deze coherente elektronenbron, moet de bundel twee verschillende paden gaan volgen. Dit gebeurt automatisch als het elektron vrij komt en het elektrisch veld van de laser nog aanwezig is. De laser zorgt er namelijk voor dat de elektronen op en neer gaan bewegen; van het ion af en naar het ion toe. Niet elk elektron zal hierbij hetzelfde pad volgen. Sommige zullen terugkomen bij het ion, daarmee botsen en zo als het ware het ion 'beschijnen'. Andere elektronen zullen een ander pad volgen en niet botsen met het ion. Wanneer alle elektronen weer bij elkaar komen vormen ze een interferentiepatroon, net als in het klassieke hologram. Zo maken elektronen van een atoom een hologram van het atoom waar ze zelf deel van waren.
Snelle bewegingen in het hologram
Samen met onderzoekers uit Rusland, Duitsland, Engeland en de VS zijn de metingen met theoretische modellen nagebootst. Hieruit volgt dat de snelle bewegingen van zowel de elektronen als het achtergebleven ion worden opgeslagen in het hologram. Sinds een kleine tien jaar zijn de eerste technieken ontwikkeld om deze hele snelle beweging te meten met zogenaamde attoseconde (10-18s) pulsen. Holografie in atomen is een aanvullende techniek, waarmee onderzoekers chemische processen op een tijdschaal van attoseconden op het meest essentiële basisniveau kunnen ontrafelen, begrijpen en wellicht ook sturen. Een enorm waardevolle techniek, omdat deze beweging tot voor kort niet direct gemeten kon worden, maar wel aan de basis ligt van alle chemische reacties om ons heen. Het kunnen meten van deze beweging is dus cruciaal voor het begrijpen van deze processen.
Meer informatie
FOM-instituut AMOLF.
FELICE is onderdeel van de internationale onderzoeksfaciliteit FELIX op het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen.
Referentie: DOI 10.1126/science.1198450.
Contact
Ymkje Huismans, (020) 754 71 66.
Prof.dr. Marc Vrakking, +49 1515 715 34 46.