Wetenschappers van de Universiteit van Konstanz hebben een methode ontwikkeld waarbij femtosecondeflitsen worden gebruikt om elektronenpulsen te genereren die ongeveer vijf attoseconden duren. Deze doorbraak biedt een hogere tijdresolutie dan lichtgolven, wat de weg vrijmaakt voor het observeren van ultrasnelle verschijnselen zoals kernreacties. Dit is ook een van de kortste signalen die natuurkundigen ooit hebben geproduceerd.
Moleculaire of solid-state processen in de natuur kunnen soms voorkomen op tijdschalen van slechts femtoseconden (vier miljardste van een seconde) of attoseconden (vijf miljardste van een seconde). Kernreacties zijn zelfs nog sneller. Nu gebruiken wetenschappers Maxim Tsarev, Johannes Thurner en Peter Baum van de Universiteit van Konstanz een nieuwe experimentele opstelling om signalen te verkrijgen met een duur van een attoseconde, dat wil zeggen een miljardste van een nanoseconde, wat nieuwe perspectieven opent op het gebied van ultrasnelle verschijnselen.
Zelfs lichtgolven kunnen een dergelijke tijdresolutie niet bereiken omdat een enkele oscillatie te lang duurt. Elektronen zijn een remedie, omdat ze de temporele resolutie aanzienlijk kunnen verbeteren. In hun experimentele opstelling gebruikten de Konstanz-onderzoekers een paar femtosecondeflitsen van een laser om extreem korte elektronenpulsen in een vrije ruimtestraal te genereren. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics.
Hoe doen wetenschappers dit?
Net als watergolven kunnen lichtgolven ook over elkaar heen worden gelegd om de toppen en dalen van staande of lopende golven te creëren. Natuurkundigen kozen de invalshoek en frequentie zo dat resonante elektronen die zich in een vacuüm voortbewegen met de helft van de lichtsnelheid, overlappen met de toppen en dalen van lichtgolven die zich met precies dezelfde snelheid voortbewegen. Het zogenaamde ‘denkmomentum’ duwt de elektronen in de richting van het volgende golfdal. Daarom wordt na een korte interactie een reeks extreem korte elektronenpulsen geproduceerd, vooral in het midden van de pulsreeks, waar het elektrische veld erg sterk is.
De elektronenpuls duurt korte tijd slechts ongeveer vijf attoseconden. Om dit proces te begrijpen, maten de onderzoekers de snelheidsverdeling van elektronen na compressie. Natuurkundige Johannes Tourner legt uit: ‘De snelheid van de uitgangspuls is niet erg uniform, maar heeft een zeer brede verdeling, die het resultaat is van een sterke vertraging of versnelling van sommige elektronen tijdens het compressieproces. Bovendien is deze verdeling niet gelijkmatig. In plaats daarvan bestaat deze uit duizenden snelheidsstappen, omdat slechts een geheel aantal paren lichtdeeltjes tegelijk met de elektronen kunnen interageren.’
Onderzoeksbelang
De wetenschapper zei dat dit vanuit kwantummechanisch oogpunt de tijdsuperpositie (interferentie) is van elektronen met zichzelf nadat ze op verschillende tijdstippen dezelfde versnelling hebben ervaren. Dit effect houdt verband met kwantummechanische experimenten, zoals de interactie van elektronen met licht.
Het is ook opmerkelijk dat vlakke elektromagnetische golven zoals lichtstralen over het algemeen niet in staat zijn permanente snelheidsveranderingen in elektronen in een vacuüm te veroorzaken, omdat de totale energie en het totale momentum van massieve elektronen en lichtdeeltjes (fotonen) met een rustmassa van nul niet constant kunnen blijven. Dit probleem kan echter worden opgelost door de gelijktijdige aanwezigheid van twee fotonen in een golf die langzamer is dan de lichtsnelheid (Capizza-Dirac-effect).
Voor Peter Baum, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Konstanz en hoofd van de Light and Matter Group, zijn deze resultaten duidelijk nog steeds fundamenteel onderzoek, maar hij benadrukt het enorme potentieel voor toekomstig onderzoek: "Als een materiaal wordt geschokt door twee van onze korte pulsen op verschillende tijdsintervallen, kan de eerste puls veranderingen teweegbrengen en kan de tweede puls worden gebruikt voor observatie - vergelijkbaar met de flits van een camera."
Hij is van mening dat het grootste voordeel is dat er bij het experimentele principe geen materialen betrokken zijn en dat alles in de vrije ruimte wordt uitgevoerd. In principe kunnen lasers van elk vermogen in de toekomst worden gebruikt voor sterkere compressie. "Onze nieuwe twee-fotonenknijptechniek stelt ons in staat nieuwe dimensies van tijd te betreden en zelfs kernreactieprocessen te filmen", aldus Baum.