Onderzoekers van de University of Central Florida maken het baanbrekende veld van de attoseconde wetenschap toegankelijker voor onderzoekers uit alle disciplines.

Hun methode om het veld te helpen openen, wordt gedetailleerd beschreven in een nieuwe studie die vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd wetenschappelijke vooruitgang .

Een attoseconde is een miljardste van een miljardste van een seconde, en het vermogen om metingen te doen met attoseconde precisie stelt onderzoekers in staat om de snelle beweging van elektronen in atomen en moleculen op hun natuurlijke tijdschaal te bestuderen.

Door deze snelle beweging te meten, kunnen onderzoekers fundamentele aspecten begrijpen van hoe licht interageert met materie, die inspanningen kunnen leveren om zonne-energie te oogsten voor stroomopwekking, opsporen van chemische en biologische wapens, medische diagnostiek uitvoeren en meer.

"Een van de grootste uitdagingen van de attoseconde-wetenschap is dat ze afhankelijk is van laserfaciliteiten van wereldklasse, " zegt Michael Chini, een assistent-professor in de afdeling Natuurkunde van UCF en de hoofdonderzoeker van de studie. "We hebben het geluk dat we er een hebben hier bij UCF, en er zijn er waarschijnlijk nog een dozijn wereldwijd. Maar helaas, geen van hen wordt echt geëxploiteerd als 'gebruikersfaciliteiten, ' waar wetenschappers uit andere vakgebieden binnen kunnen komen en ze kunnen gebruiken voor onderzoek."

Dit gebrek aan toegang vormt een barrière voor chemici, biologen, materiaalwetenschappers en anderen die baat zouden kunnen hebben bij het toepassen van tweede wetenschappelijke technieken op hun vakgebied, zegt Chini.

"Ons werk is een grote stap in de richting van het breder toegankelijk maken van attosecondepulsen, ' zegt Chini.

"We laten zien dat lasers van industriële kwaliteit, die commercieel kan worden gekocht bij tientallen leveranciers met een prijskaartje van ongeveer $ 100, 000, kan nu worden gebruikt om attoseconde pulsen te genereren."

Chini zegt dat de installatie eenvoudig is en kan werken met een breed scala aan lasers met verschillende parameters.

Attoseconde wetenschap werkt een beetje als sonar of 3D-lasermapping, maar op veel kleinere schaal. Wanneer een attoseconde lichtpuls door een materiaal gaat, de interactie met elektronen in het materiaal verstoort de puls. Door deze vervormingen te meten, kunnen onderzoekers afbeeldingen van de elektronen construeren en films maken van hun beweging.

Typisch, wetenschappers hebben complexe lasersystemen gebruikt, waarvoor grote laboratoriumfaciliteiten en cleanroom-omgevingen nodig zijn, als de drijvende lasers voor attoseconde wetenschap.

Het produceren van de extreem korte lichtpulsen die nodig zijn voor attoseconde-onderzoek - in wezen bestaande uit slechts een enkele oscillatiecyclus van een elektromagnetische golf - vereist verder het voortplanten van de laser door buizen gevuld met edelgassen, zoals xenon of argon, om de pulsen in de tijd verder te comprimeren.

Maar het team van Chini heeft een manier ontwikkeld om zulke pulsen met een paar cycli te krijgen uit meer algemeen verkrijgbare lasers van industriële kwaliteit, die voorheen alleen veel langere pulsen konden produceren.

Ze comprimeren ongeveer 100-cycluspulsen van lasers van industriële kwaliteit met behulp van moleculaire gassen, zoals lachgas, in de buizen in plaats van edelgassen en het variëren van de lengte van de pulsen die ze door het gas sturen.

In hun krant ze demonstreren compressie tot slechts 1,6 cycli, en single-cycle pulsen zijn binnen het bereik van de techniek, zeggen de onderzoekers.

De keuze van het gas en de duur van de pulsen staan ​​centraal, zegt John Beetar, een doctoraatsstudent in de afdeling Natuurkunde van UCF en de hoofdauteur van de studie.

"Als de buis is gevuld met een moleculair gas, en in het bijzonder een gas van lineaire moleculen, er kan een versterkt effect zijn vanwege de neiging van de moleculen om uit te lijnen met het laserveld, ' zegt Beetaar.

"Echter, deze door uitlijning veroorzaakte verbetering is alleen aanwezig als de pulsen lang genoeg zijn om zowel de roterende uitlijning te induceren als het effect dat erdoor wordt veroorzaakt te ervaren, " zegt hij. "De keuze van het gas is belangrijk omdat de rotatie-uitlijningstijd afhankelijk is van de traagheid van het molecuul, en om de verbetering te maximaliseren, willen we dat deze samenvalt met de duur van onze laserpulsen."

"De vermindering van de complexiteit die gepaard gaat met het gebruik van een commerciële, laser van industriële kwaliteit kan attoseconde wetenschap toegankelijker maken en interdisciplinaire toepassingen mogelijk maken door wetenschappers met weinig tot geen laserachtergrond, ' zegt Beetaar.