Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo - les mer.

Elektroner er ikke bare ørsmå. De beveger seg også uhyre raskt. I det minste atomet, hydrogen, svirrer et enslig elektron omkring kjernen.
Elektroner er ikke bare ørsmå. De beveger seg også uhyre raskt. I det minste atomet, hydrogen, svirrer et enslig elektron omkring kjernen.

Filme elektroner, går det an?

Ja, med verdens korteste laserlysglimt og en spesiell teknikk er det faktisk mulig å se hva elektronene bedriver. Nå har forskere doblet den mulige lengden på filmene.

Har du forsøkt å fotografere en fotballkamp, vet du at du må bruke kort lukkertid for å fryse bevegelsen til spillerne og ballen. Bildet bør kanskje være tatt i løpet av en tusendel av et sekund.

Jo raskere noe beveger seg, jo kortere må lukkertiden være for at bildet skal bli skarpt.

Elektroner er ikke bare ørsmå. De beveger seg også uhyre raskt. I det minste atomet, hydrogen, svirrer et enslig elektron omkring kjernen. Rundetiden i innerste bane er på lynraske 0,000 000 000 000 000 15 sekund.

Sagt på en annen måte: 150x10-18 sekund, eller 150 atto-sekunder, som har gitt opphav til en ny gren av vitenskapen: Attosekundfysikk.

Å filme elektronenes bevegelser i molekyler

Lys som beveger seg med rundt 300.000 kilometer i sekundet, bruker omtrent et attosekund på å passere et atom.

For å studere hvordan elektronene i atomer og molekyler beveger seg, har en internasjonal gruppe forskere brukt lasere som sender ut lys i korte pulser.

– Lasere med korte nok pulser finnes ikke, så vi må bruke noen triks, forteller Antoine Camper, forsker ved Universitetet i Oslo.

Teknikken han og kollegene bruker, går ut på å rette ultrakorte, men energirike laserpulser mot molekylene i gassen de vil studere, i dette tilfelle nitrogen og CO2.

– Lasere med korte nok pulser finnes ikke, så vi må bruke noen triks, forteller Antoine Camper.
– Lasere med korte nok pulser finnes ikke, så vi må bruke noen triks, forteller Antoine Camper.

Elektronene surfer på laserbølgen

Laserpulsen gir noen av elektronene nok energi til at de forlater molekylet de er bundet til. Elektronene surfer en stund på laserbølgen før de fanges inn igjen av molekylet.

I det elektronene returnerer til molekylet sender de ut lys med veldig kort bølgelengde, typisk mellom 10 og 100 nanometer, kodet med tilstanden i molekylet.

– Vi registrerer lysglimt med noen få hundre attosekunders mellomrom, sier Camper. Det er kort nok til at glimtene gir innsikt i det indre livet i molekylene.

Hvert lysglimt gir et øyeblikksbilde av molekylet, som en filmrute i en film.

– På en måte manipulerer vi elektronene til å filme seg selv, sier Camper.

Eksperimentene har de gjort ved CELIA-laboratoriet i Bordeaux i Frankrike.

– Med vår teknikk kan vi studere elektronenes bevegelser dobbelt så lenge som tidligere, forteller Camper.

For kort for TikTok, men lang nok for kvanteteknologi

Filmlengden har økt til - ikke blunk! - 3 femtosekunder eller 0,000 000 000 000 003 sekunder.

Selv om det ville vært en for kort film, selv for TikTok, er den faktisk lang nok til å si noe om dynamikken inne i molekylene.

De superraske målingene gir nye muligheter for å forstå prosesser på kvantenivå. 

Referanser:

Antoine Camper mfl.: Quantum-Path-Resolved Attosecond High-Harmonic Spectroscopy. Physical review letters, 2023. Doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.083201

Mette Gaarde: Electrons Filming Themselves. Physics, Viewpoint highlight, 2023.

Powered by Labrador CMS