Atomen zijn samengesteld uit elektronen die rond een centrale kern bewegen waaraan ze zijn gebonden. De elektronen kunnen ook worden weggerukt via het krachtige elektrische veld van een laser, het overwinnen van de beperkende kracht van hun kern. Een halve eeuw geleden, de theoreticus Walter Henneberger vroeg zich af of het mogelijk was een laserveld te gebruiken om een ​​elektron van zijn atoom te bevrijden zonder het uit de kern te verwijderen. Veel wetenschappers achtten het onmogelijk. Echter, het is nu met succes bevestigd door natuurkundigen van de Universiteit van Genève (UNIGE), Zwitserland, en het Max Born Instituut (MBI) in Berlijn, Duitsland.

Voor de eerste keer, onderzoekers controleerden de vorm van de laserpuls om een ​​elektron zowel vrij als gebonden aan zijn kern te houden, en waren tegelijkertijd in staat om de elektronische structuur van het atoom te reguleren. Bovendien, ze lieten deze ongewone toestanden ook laserlicht versterken en identificeerden een no-go-gebied. In dit gebied, bijgenaamd "Death Valley, " De natuurkundigen verloren al hun macht over het elektron. Deze resultaten verbrijzelen de gebruikelijke concepten met betrekking tot de ionisatie van materie. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica .

De hypothese van Henneberger stelde voor dat als een elektron in de laser zou worden opgesloten, het zou worden gedwongen heen en weer te gaan voor zijn kern, en zou dus worden blootgesteld aan het elektrische veld van zowel de laser als de kern. Deze dubbele toestand zou het mogelijk maken om de beweging van elektronen die aan beide elektrische velden worden blootgesteld te controleren, en zou de natuurkundigen atomen laten creëren met een nieuwe elektronische structuur die afstembaar is met licht.

Gebruikmaken van de natuurlijke oscillaties van het elektron

Hoe intenser een laser is, hoe gemakkelijker het zou moeten zijn om het atoom te ioniseren - met andere woorden, om de elektronen weg te scheuren van het aantrekkende elektrische veld van hun kern en ze in de ruimte te bevrijden. "Maar als het atoom eenmaal geïoniseerd is, de elektronen verlaten niet alleen hun atoom zoals een trein een station verlaat - ze voelen nog steeds het elektrische veld van de laser, " legt Jean-Pierre Wolf uit, een professor aan de afdeling toegepaste natuurkunde van de UNIGE Faculteit Wetenschappen. “We wilden dus weten of, nadat de elektronen zijn bevrijd van hun atomen, het is nog steeds mogelijk om ze in de laser te vangen en ze te dwingen in de buurt van de kern te blijven, zoals de hypothese van Walter Henneberger suggereert, " hij voegt toe.

De enige manier om dit te doen is door de juiste vorm voor de laserpuls te vinden om precies identieke oscillaties aan het elektron op te leggen, zodat zijn energie en toestand stabiel blijven. "Het elektron oscilleert van nature in het veld van de laser, maar als de laserintensiteit verandert, deze oscillaties veranderen ook, en dit dwingt het elektron om zijn energieniveau en dus zijn toestand te veranderen, zelfs het atoom verlaten. Dit is wat het zo moeilijk maakt om zulke ongewone toestanden te zien, " voegt Misha Ivanov toe, een professor aan de theoretische afdeling van MBI in Berlijn.

De natuurkundigen testten verschillende laserintensiteiten zodat het van het atoom bevrijde elektron stabiele oscillaties zou hebben. Ze deden een verrassende ontdekking. "In tegenstelling tot de natuurlijke verwachtingen die suggereren dat hoe intenser een laser is, hoe gemakkelijker het het elektron vrijmaakt, ontdekten we dat er een grens is aan de intensiteit, waarbij we het atoom niet meer kunnen ioniseren, " merkt Misha Ivanov op. "Voorbij deze drempel, kunnen we het elektron weer controleren." De onderzoekers noemden deze limiet "Death Valley, " naar aanleiding van de suggestie van professor Joe Eberly van de Universiteit van Rochester.

Bevestiging van een oude hypothese om de natuurkundetheorie te revolutioneren

Door het elektron in een dubbele toestand te plaatsen die noch vrij noch gebonden is, de onderzoekers hebben een manier gevonden om deze trillingen te manipuleren zoals ze willen. Hierdoor kunnen ze direct werken aan de elektronische structuur van het atoom. Na verschillende aanpassingen, de natuurkundigen waren in staat om het elektron uit zijn kern te bevrijden en het vervolgens op te sluiten in het elektrische veld van de laser, zoals Walter Henneberger suggereerde. "Door een intensiteit van 100 biljoen watt per cm ² , we waren in staat om voorbij de Death Valley-drempel te gaan en het elektron in de buurt van zijn ouderatoom op te sluiten in een cyclus van regelmatige oscillaties binnen het elektrische veld van de laser, " zegt Jean-Pierre Wolf. Ter vergelijking:de intensiteit van de zon op aarde is ongeveer 100 watt per m ² .

"Dit geeft ons de mogelijkheid om nieuwe atomen te creëren, gekleed door het veld van de laser, met nieuwe elektronenenergieniveaus, " legt Jean-Pierre Wolf uit. "Vroeger dachten we dat deze dubbele staat onmogelijk te creëren was, en we hebben zojuist het tegendeel bewezen. Bovendien, we ontdekten dat elektronen in dergelijke toestanden licht kunnen versterken. Dit zal een fundamentele rol spelen in de theorieën en voorspellingen over de voortplanting van intense lasers in gassen, zoals lucht, " concludeert hij.