Een team onder leiding van Prof. Dr. Frank Stienkemeier en Dr. Lukas Bruder van het Institute of Physics aan de Universiteit van Freiburg is erin geslaagd om in realtime ultrasnelle kwantuminterferenties - met andere woorden de oscillatiepatronen - van elektronen die worden gevonden in de atomaire schillen van edelgasatomen. Ze slaagden erin oscillaties waar te nemen met een periode van ongeveer 150 attoseconden - een attoseconde is een miljardste van een miljardste van een seconde. Hiertoe, de wetenschappers prikkelden edelgasatomen met speciaal voorbereide laserpulsen. Daarna volgden ze de respons van de atomen met een nieuwe meettechniek waarmee ze kwantummechanische effecten in atomen en moleculen met een extreem hoge tijdsresolutie konden bestuderen. De onderzoekers presenteren hun resultaten in de nieuwste editie van Natuurcommunicatie .

Talloze chemische reacties, zoals het verbreken van bindingen in moleculen, worden geactiveerd door de absorptie van licht. In het eerste moment na de absorptie, de verdeling van de elektronen in de atoomschil verandert, het verdere verloop van de reactie aanzienlijk beïnvloeden. Deze wijziging gebeurt extreem snel; de tijdschalen reiken tot in het attoseconde bereik. Eerder gebruikte spectroscopische technologieën, die zichtbare laserpulsen gebruiken, zijn niet snel genoeg om dergelijke processen te volgen. Daarom ontwikkelen onderzoekers over de hele wereld momenteel innovatieve laserbronnen en adequate spectroscopische technologieën in het ultraviolet- en röntgenbereik.

Het team van Stienkemeier heeft een technologie uitgebreid die bekend is uit het zichtbare spectrum, coherente pomp-sonde spectroscopie, in het ultraviolette bereik. Dit is het spectrale bereik tussen röntgenstraling en ultraviolet licht. Om dit te doen, de wetenschappers maakten een reeks van twee ultrakorte laserpulsen in het extreme ultraviolette bereik bij de FERMI vrije-elektronenlaser in Triëst, Italië. De pulsen werden gescheiden door een nauwkeurig gedefinieerd tijdsinterval en hadden een nauwkeurig gedefinieerde faserelatie met elkaar. De eerste puls start het proces in de elektronenschil (pompproces). De tweede puls peilt op een later moment naar de status van de elektronenschil (probe-proces). Door het tijdsinterval en de faserelatie te wijzigen, konden de onderzoekers conclusies trekken over de temporele ontwikkeling in de elektronenschil. "De grootste uitdaging was om nauwkeurige controle over de pulseigenschappen te krijgen en de zwakke signalen te isoleren, " legt Andreas Wituschek uit, die de leiding had over de experimentele procedure.

De natuurkundigen van Freiburg bestudeerden het edelgas argon, onder anderen. In argon veroorzaakt de pomppuls een speciale configuratie van twee elektronen binnen de atomaire schaal:deze configuratie desintegreert, waarbij één elektron het atoom in zeer korte tijd verlaat en het atoom uiteindelijk als ion achterblijft. De onderzoekers slaagden er voor het eerst in om het onmiddellijke temporele verval van de kwantuminterferentie waar te nemen, zoals een elektron het atoom verliet. "Dit experiment maakt de weg vrij voor veel nieuwe toepassingen in de studie van atomaire en moleculaire processen na selectieve stimulatie met hoogenergetische straling in het extreme ultraviolette bereik, ' zegt Bruder.