Een nieuw ontwikkelde lasertechnologie heeft natuurkundigen in het Laboratory for Attosecond Physics (gezamenlijk gerund door LMU München en het Max Planck Institute of Quantum Optics) in staat gesteld om attoseconde-uitbarstingen van hoogenergetische fotonen van ongekende intensiteit te genereren. Dit heeft het mogelijk gemaakt om de interactie van meerdere fotonen in een enkele dergelijke puls met elektronen in de binnenste orbitale schil van een atoom waar te nemen.

Om de ultrasnelle elektronenbeweging in de binnenschillen van atomen met korte lichtpulsen waar te nemen, de pulsen moeten niet alleen ultrakort zijn, maar heel helder, en de aangeleverde fotonen moeten voldoende energie hebben. Deze combinatie van eigenschappen wordt al 15 jaar gezocht in laboratoria over de hele wereld. Natuurkundigen van het Laboratorium voor Attoseconde Natuurkunde (LAP), een joint venture tussen de Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) en het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), zijn er nu in geslaagd om aan de voorwaarden te voldoen die nodig zijn om dit doel te bereiken. In hun laatste experimenten, ze hebben de niet-lineaire interactie van een attoseconde puls met elektronen in een van de binnenste orbitale schillen rond de atoomkern kunnen observeren. In deze context, de term 'niet-lineair' geeft aan dat de interactie meer dan één foton betreft (in dit specifieke geval zijn het er twee). Deze doorbraak werd mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van een nieuwe bron van attosecondepulsen. Een attoseconde duurt precies een miljardste van een miljardste van een seconde.

De deur voor het observeren van de ultrasnelle beweging van elektronen diep in atomen is geopend. Natuurkundigen van het Laboratory for Attosecond Physics (LAP) van de LMU München hebben een technologie ontwikkeld waarmee ze intense attoseconde-pulsen kunnen genereren. Deze pulsen kunnen worden gebruikt om de beweging van elektronen in de binnenste schillen van atomen in realtime te volgen door deze beweging te bevriezen met sluitertijden van een seconde.

De experimentele procedure die wordt gebruikt om elektronen in beweging te filmen, maakt gebruik van de 'pump-probe'-benadering. Elektronen in een doelatoom worden eerst geëxciteerd door een foton dat zich in de pomppuls bevindt, die dan na een korte vertraging wordt gevolgd door een tweede foton in een sondepuls. De laatste onthult in wezen het effect van het pompfoton. Om deze procedure uit te voeren, de fotonen moeten zo dicht opeengepakt zijn dat een enkel atoom in het doelwit door twee fotonen achter elkaar kan worden geraakt. Bovendien, willen deze fotonen de kans krijgen om de binnenste elektronenschillen te bereiken, ze moeten energieën hebben aan de bovenkant van het extreem ultraviolette (XUV) spectrum. Geen enkele onderzoeksgroep is er eerder in geslaagd om in dit spectrale gebied attoseconde pulsen met de vereiste fotonendichtheid te genereren.

De technologie die dit nu mogelijk heeft gemaakt, is gebaseerd op het opschalen van conventionele bronnen van attoseconde-pulsen. Een team onder leiding van prof. Laszlo Veisz heeft een nieuwe krachtige laser ontwikkeld die in staat is om uitbarstingen van infrarood licht uit te zenden - elk bestaande uit slechts een paar oscillatiecycli - die 100 keer zoveel fotonen per puls bevatten als in conventionele systemen. Deze pulsen, beurtelings, maken het genereren van geïsoleerde attoseconde-pulsen van XUV-licht mogelijk die 100 keer meer fotonen bevatten dan bij conventionele attosecondebronnen.

In een eerste reeks experimenten, de energierijke attoseconde-pulsen werden gefocust op een stroom xenongas. Fotonen die toevallig interageren met een binnenste schil van een xenon-atoom stoten elektronen uit die schil en ioniseren het atoom. Door een zogenaamde ionenmicroscoop te gebruiken om deze ionen te detecteren, konden de wetenschappers, Voor de eerste keer, om de interactie te observeren van twee fotonen opgesloten in een attoseconde puls met elektronen in de binnenste orbitale schillen van een atoom. In eerdere attoseconde-experimenten, het was alleen mogelijk om de interactie van binnenste schilelektronen met een enkel XUV-foton waar te nemen.

"Experimenten waarin het mogelijk is om elektronen in de binnenschil te laten interageren met twee XUV-attoseconde-pulsen, worden vaak de heilige graal van de attoseconde-fysica genoemd. Met twee XUV-pulsen, we zouden de elektronenbeweging in de binnenste atomaire schillen kunnen 'filmen' zonder hun dynamiek te verstoren, " zegt dr. Boris Bergues, de leider van de nieuwe studie. Dit vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang op attoseconde-experimenten waarbij excitatie met een enkel attoseconde XUV-foton betrokken is. Bij die experimenten de resulterende toestand werd 'gefotografeerd' met een langere infraroodpuls, die zelf een significante invloed had op de daaropvolgende elektronenbeweging.

"De elektronendynamica in de binnenschillen van atomen is van bijzonder belang, omdat ze het resultaat zijn van een complex samenspel tussen vele elektronen die met elkaar interageren, " zoals Bergues uitlegt. "De gedetailleerde dynamiek die het gevolg is van deze interacties roept veel vragen op, die we nu experimenteel kunnen aanpakken met behulp van onze nieuwe attosecond source."

In de volgende stap, de natuurkundigen plannen een experiment waarin ze de interactie in de tijd zullen oplossen door de hoge-intensiteit attoseconde-puls te splitsen in afzonderlijke pomp- en sondepulsen.

De succesvolle toepassing van niet-lineaire optica in het attoseconde domein om het gedrag van elektronen in de binnenste orbitale schillen van atomen te onderzoeken, opent de deur naar een nieuw begrip van de complexe multibody-dynamica van subatomaire deeltjes. Het vermogen om de beweging van elektronen diep in het binnenste van atomen te filmen belooft veel te onthullen over een mysterieus rijk dat verborgen is gebleven.