De Nobelprijs voor de Natuurkunde 2023 beloont drie onderzoekers voor hun werk met behulp van attoseconde-lichtpulsen, wat een revolutie teweeg heeft gebracht in de studie van de snelle beweging van elektronen en het begrip op verschillende gebieden van de natuurkunde en scheikunde heeft vergroot. Een team van drie onderzoekers heeft de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2023 gewonnen voor werk dat een revolutie teweegbracht in de manier waarop wetenschappers elektronen bestuderen: moleculen verlichten met flitsen van attoseconden lang. Maar hoe lang duurt een attoseconde precies, en wat kunnen deze oneindig korte pulsen onderzoekers vertellen over de eigenschappen van materie?

Ik maakte voor het eerst kennis met dit onderzoeksgebied toen ik afgestudeerd was in de fysische chemie. De onderzoeksgroep van mijn promotor heeft een project dat attosecondepulsen gebruikt om chemische reacties te bestuderen. Voordat we begrijpen waarom attoseconde-onderzoek de meest prestigieuze prijs in de wetenschap heeft gewonnen, moeten we eerst begrijpen wat attoseconde gepulseerd licht is.

Hoe lang duurt een attoseconde?

"Ato" is het voorvoegsel voor wetenschappelijke notatie, dat 10-18 vertegenwoordigt, dat wil zeggen een decimaalteken gevolgd door 17 nullen en een één. Daarom is een flits van één attoseconde, oftewel 0,00000000000001 seconde, een extreem korte lichtpuls. In feite is het aantal attoseconden in een seconde gelijk aan het aantal seconden in de leeftijd van het universum.

Een attoseconde is ongelooflijk klein vergeleken met een seconde. Afbeelding tegoed: ©Johan Jarnestad/Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen

Voorheen konden wetenschappers de beweging van zwaardere, langzamer bewegende kernen bestuderen met behulp van femtoseconde (10-15) lichtpulsen. Duizend attoseconden zijn gelijk aan één femtoseconde. Maar totdat attoseconde-lichtpulsen worden gegenereerd, kunnen onderzoekers geen beweging op elektronenschaal zien: de elektronen bewegen te snel voor wetenschappers om hun beweging op femtoseconde-niveau nauwkeurig te kunnen bepalen.

attoseconde puls

De herschikking van elektronen in atomen en moleculen stuurt veel processen in de natuurkunde aan en vormt feitelijk de basis van elk onderdeel van de scheikunde. Onderzoekers hebben dus veel moeite gestoken in het uitzoeken hoe elektronen bewegen en herschikken.

Elektronen bewegen zich echter zeer snel tijdens fysische en chemische processen, waardoor ze moeilijk te bestuderen zijn. Om deze processen te bestuderen, gebruiken wetenschappers spectroscopie, een methode om te bestuderen hoe materie licht absorbeert of uitzendt. Om elektronen in realtime te volgen, hebben onderzoekers een lichtpuls nodig die korter is dan de tijd die de elektronen nodig hebben om zich te herschikken.

Pompsondespectroscopie is een veelgebruikte techniek in de natuur- en scheikunde die kan worden bestudeerd met behulp van lichtpulsen op attosecondeschaal.

Stel je ter analogie een camera voor die alleen langere belichtingen kan maken (ongeveer 1 seconde). Bewegende objecten, zoals mensen die naar de camera rennen of vogels die door de lucht vliegen, zullen op de gemaakte foto's wazig lijken, waardoor het moeilijk is om te zien wat er aan de hand is. Stel je dan een camera voor die een belichtingstijd van 1 milliseconde gebruikt. Nu zullen bewegingen die voorheen onduidelijk waren, goed worden omgezet in heldere en nauwkeurige momentopnamen. Dit is hoe het gebruik van de attosecondeschaal in plaats van de femtosecondeschaal licht werpt op het gedrag van elektronen.

Attosecond onderzoek

Dus welke onderzoeksvragen kunnen attosecondepulsen helpen beantwoorden?

Ten eerste is het verbreken van chemische bindingen een fundamenteel proces in de natuur waarbij elektronen die tussen twee atomen worden gedeeld, zich opsplitsen in ongebonden atomen. Tijdens dit proces ondergaan voorheen gedeelde elektronen ultrasnelle veranderingen, en de attosecondepulsen maken het voor onderzoekers mogelijk om het verbreken van chemische bindingen in realtime te volgen.

Het vermogen om attosecondepulsen te genereren – werk waarvoor drie onderzoekers in 2023 de Nobelprijs voor de natuurkunde ontvingen – werd voor het eerst mogelijk in het begin van de jaren 2000, en het vakgebied is zich sindsdien snel blijven ontwikkelen. Door kortere momentopnamen van atomen en moleculen te maken, helpt attosecondespectroscopie onderzoekers het gedrag van elektronen in afzonderlijke moleculen te begrijpen, zoals hoe elektronenladingen migreren en hoe chemische bindingen tussen atomen verbreken.

Op grotere schaal worden attosecondetechnieken ook gebruikt om het gedrag van elektronen in vloeibaar water en de elektronenoverdracht in halfgeleiders in vaste toestand te bestuderen. Naarmate onderzoekers hun vermogen om attoseconde lichtpulsen te genereren blijven verbeteren, zullen ze een dieper inzicht krijgen in de fundamentele deeltjes waaruit materie bestaat.

Auteur: Aaron W. Harrison, universitair docent scheikunde aan het Austin College.