Onderzoekers hebben - voor slechts een fractie van een seconde - een glimp opgevangen van een elektronenperspectief op de wereld. Dat is, ze zijn er voor het eerst in geslaagd een elektron te volgen dat de nabijheid van een atoom verlaat terwijl het atoom licht absorbeert. Op een manier die lijkt op het nemen van "snapshots" van het proces, ze konden volgen hoe het unieke momentum van elk elektron veranderde in de ongelooflijk korte tijd die nodig was om aan zijn gastheeratoom te ontsnappen en een vrij elektron te worden.

In het journaal Natuurfysica , de onderzoekers schrijven dat het zo gedetailleerd volgen van elektronen een eerste stap is naar het beheersen van het gedrag van elektronen in de materie - en dus de eerste stap op een lange en gecompliceerde weg die uiteindelijk zou kunnen leiden tot het vermogen om naar believen nieuwe toestanden van materie te creëren.

Een onmiddellijk gevolg is dat onderzoekers nu het kwantummechanische gedrag van elektronen van verschillende atomen kunnen classificeren, legt projectleider Louis DiMauro uit, Hagenlocker Chair en hoogleraar natuurkunde aan de Ohio State University.

"Nu kunnen we naar een elektron kijken en de vroege geschiedenis ervan ontcijferen. We kunnen ons afvragen hoe het anders is of het afkomstig is van een heliumatoom of een neonatoom, bijvoorbeeld, " hij zei.

Maar het uiteindelijke doel van de onderzoekers is om kwantummechanische systemen - die van toepassing zijn op de ultrakleine wereld - op een veel grotere schaal in kaart te brengen, zodat ze uiteindelijk de bewegingen van subatomaire deeltjes in een molecuul kunnen sturen.

"Als je denkt aan elke momentopname die we maken als een frame in een film, misschien kunnen we op een dag de film stoppen bij een bepaald frame en veranderen wat er daarna gebeurt - zeg, door een elektron met licht te prikken en van richting te veranderen. Het zou zijn alsof je een chemische reactie binnengaat en de reactie op een andere manier laat plaatsvinden dan het natuurlijk zou zijn, ' zei DiMauro.

Eigenlijk, hij en doctoraalstudent natuurkunde Dietrich Kiesewetter en hun collega's hebben bewezen dat een gevestigde laboratoriumtechniek voor het bestuderen van vrije elektronen kan worden gebruikt om elektronen te bestuderen die nog niet helemaal vrij zijn, maar eerder in het proces van het verlaten van een atoom.

Elektronen gedragen zich anders wanneer ze de subatomaire krachten van een kern en naburige elektronen kunnen voelen, en hoe verder ze van een atoom verwijderd raken, die krachten nemen af. Hoewel het minder dan een femtoseconde (een quadriljoenste van een seconde) duurt om je los te maken, deze studie laat zien hoe het momentum van een elektron vele malen verandert terwijl het contact met afzonderlijke delen van het atoom verliest. Die veranderingen vinden plaats op de schaal van attoseconden (duizendsten van een femtoseconde, of triljoenste van een seconde).

De techniek die de onderzoekers gebruikten heet RABBITT, of reconstructie van Attosecond Beating door interfererende overgangen van twee fotonen, en het houdt in dat de atomen in een gas met licht worden geraakt om kwantummechanische informatie te onthullen. Het bestaat al bijna 15 jaar, en is een standaardprocedure geworden voor het bestuderen van processen die plaatsvinden op zeer korte tijdschalen.

Niet alle kwantummechanische informatie die van RABBITT komt is bruikbaar, echter - of, minstens, niet alles werd tot nu toe als bruikbaar beschouwd. Daarom hebben ze hun versie van de techniek RABBITT+ genoemd.

"We gebruiken de informatie die andere mensen zouden weggooien, het deel dat van dichtbij de kern van het atoom komt, omdat de gegevens altijd te complex leken om te ontcijferen, "Zei DiMauro. "We hebben een model ontwikkeld dat laat zien dat we eenvoudige maar belangrijke informatie uit de meer complexe informatie kunnen halen."

DiMauro gecrediteerd Robert Jones, de Francis H. Smith hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Virginia, met het uitwerken van de belangrijkste elementen van het model die de informatie bruikbaar maakten. Andere co-auteurs van het artikel zijn Pierre Agostini, hoogleraar natuurkunde aan de staat Ohio, en oud-promovendi Stephen Schoun en Antoine Camper, die inmiddels zijn afgestudeerd.