Har du forsøkt å fotografere en fotballkamp vet du at du må bruke kort lukkertid for å fryse bevegelsen til spillerne og ballen. Bildet bør kanskje være tatt i løpet av en tusendel av et sekund.
Jo raskere noe beveger seg, jo kortere må lukkertiden være for at bildet skal bli skarpt.
Elektroner er ikke bare ørsmå, de beveger seg også uhyre raskt. I det minste atomet, hydrogen, svirrer et enslig elektron omkring kjernen. Rundetiden i innerste bane er på lynraske 0,000 000 000 000 000 15 sekund.
Sagt på en annen måte: 150x10-18 sekund, eller 150 atto-sekunder, som har gitt opphav til en ny gren av vitenskapen: Attosekundfysikk.
Attosekundfysikk: Å filme elektronenes bevegelser i molekyler
Lys, som beveger seg med rundt 300.000 kilometer i sekundet, bruker omtrent et attosekund på å passere et atom.
For å studere hvordan elektronene i atomer og molekyler beveger seg har en internasjonal gruppe forskere brukt lasere som sender ut lys i korte pulser.
– Lasere med korte nok pulser finnes ikke, så vi må bruke noen triks, forteller Antoine Camper, forsker ved UiO.
Teknikken han og kollegene bruker går ut på å rette ultrakorte, men energirike laserpulser mot molekylene i gassen de vil studere, i dette tilfelle nitrogen og CO2.
Elektronene surfer på laserbølgen
Laserpulsen gir noen av elektronene nok energi til at de forlater molekylet de er bundet til. Elektronene surfer en stund på laserbølgen før de fanges inn igjen av molekylet.
I det elektronene returnerer til molekylet sender de ut lys med veldig kort bølgelengde, typisk mellom 10 og 100 nanometer, kodet med tilstanden i molekylet.
– Vi registrerer lysglimt med noen få hundre attosekunders mellomrom, sier Camper. Det er kort nok til at glimtene gir innsikt i det indre livet i molekylene.
Hvert lysglimt gir et øyeblikksbilde av molekylet, som en filmrute i en film.
– På en måte manipulerer vi elektronene til å filme seg selv, sier Camper.
Eksperimentene har de gjort ved CELIA-laboratoriet i Bordeaux i Frankrike.
– Med vår teknikk kan vi studere elektronenes bevegelser dobbelt så lenge som tidligere, forteller Camper.
For kort for TikTok, men lang nok for kvanteteknologi
Filmlengden har økt til - ikke blunk! - 3 femtosekunder, eller 0,000 000 000 000 003 sekunder.
Selv om det ville vært en for kort film, selv for TikTok, er den faktisk lang nok til å si noe om dynamikken inne i molekylene.
De superraske målingene gir nye muligheter for å forstå prosesser på kvantenivå, og forskere i feltet jobber allerede med anvendelser innen elektronikk, kvanteteknologi og biomedisin.
Vitenskapelig artikkel:
Antoine Camper , Amélie Ferré, Valérie Blanchet mfl. Quantum-Path-Resolved Attosecond High-Harmonic Spectroscopy. Physical review letters, februar 2023.
Artikkel med Viewpoint highlight: Electrons Filming Themselves
