Chemische reacties worden op hun meest fundamentele niveau bepaald door hun respectievelijke elektronische structuur en dynamiek. Gestuurd door een stimulus zoals lichtinstraling, elektronen herschikken zich in vloeistoffen of vaste stoffen. Dit proces duurt slechts een paar honderd attoseconden, waarbij één attoseconde het miljardste deel van een miljardste van een seconde is. Elektronen zijn gevoelig voor externe velden, zodat onderzoekers ze gemakkelijk kunnen controleren door de elektronen te bestralen met lichtpulsen. Zodra ze aldus het elektrische veld van een attoseconde puls tijdelijk vormgeven, onderzoekers kunnen de elektronische dynamiek in realtime controleren. Een team onder leiding van Prof. Dr. Giuseppe Sansone van het Institute of Physics van de Universiteit van Freiburg laat in het wetenschappelijke tijdschrift Nature zien hoe ze de golfvorm van een attoseconde puls volledig vorm konden geven.

"Deze pulsen stellen ons in staat om het eerste moment van de elektronische respons in een molecuul of kristal te bestuderen, " legt Sansone uit. "Met de mogelijkheid om het elektrische veld vorm te geven, kunnen we elektronische bewegingen controleren - met als langetermijndoel het optimaliseren van basisprocessen zoals fotosynthese of ladingsscheiding in materialen."

Het team, bestaande uit theoretici en experimenteel fysici van onderzoeksinstituten in de VS, Rusland, Duitsland, Italië, Oostenrijk, Slovenië, Hongarije, Japan en Zweden, voerden hun experiment uit bij de Free-Electron Laser (FEL) FERMI in Triëst/Italië. Deze laser is de enige die het unieke vermogen biedt om straling met verschillende golflengten in het extreem ultraviolette spectrale bereik te synthetiseren met volledig regelbare relatieve fasen.

De attoseconde puls is het resultaat van de tijdelijke overlap van laserharmonischen. De wetenschappers genereerden groepen van vier laserharmonischen van een fundamentele golflengte met behulp van de undulatoren die beschikbaar zijn bij FERMI. Dit zijn technische apparaten, die de beweging van een relativistische elektronenbundel sturen, wat leidt tot de productie van ultraviolette straling. Een van de belangrijkste uitdagingen van het experiment was het meten van deze relatieve fasen, die werden gekenmerkt door het verwerven van de foto-elektronen die vrijkwamen uit neonatomen door de combinatie van de attoseconde-pulsen en een infraroodveld. Dit leidt tot extra structuren in de elektronenspectra, meestal aangeduid als zijbanden. De wetenschappers maten de correlatie tussen de verschillende zijbanden die voor elke laseropname werden gegenereerd. Dit stelde hen uiteindelijk in staat om de attoseconde pulstrein volledig te karakteriseren.

"Onze resultaten geven niet alleen aan dat FEL's attoseconde pulsen kunnen produceren, " zegt Sanson, "maar, vanwege de aanpak die is geïmplementeerd voor het genereren van golfvormen, dergelijke pulsen zijn volledig controleerbaar en bereiken hoge piekintensiteiten. Deze twee aspecten vertegenwoordigen de belangrijkste voordelen van onze aanpak. De resultaten zullen ook van invloed zijn op de planning en het ontwerp van nieuwe vrije-elektronenlasers wereldwijd."