Ny grundforskning: Korta våglängder kan få elektroner att svänga

Det kvantmekaniska fenomen där man kan få elektroner i atomer att svänga med hjälp av laserstrålning  har varit känd sedan teorin presenterades redan 1955. Tidigare har dock detta bara kunnat påvisas för strålning med långa våglängder. Men i ny forskning från bland annat LTH har man kunnat mäta elektronsvängningar vid tio gånger kortare våglängd än tidigare. Resultaten publiceras nu i Nature.

Fenomenet där man får elektroner i atomer att svänga med hjälp av laser kallas för Rabi-svängningar.

– Det kan liknas vid ett barn som hoppar hopprep. Då barnet är i luften befinner sig elektronen i ett så kallat exciterat tillstånd, och när barnet är på marken befinner sig elektronen i sitt grundtillstånd. Energin i laserfältet svänger, precis som ett hopprep, och tvingar elektronen att ”hoppa” i atomen, berättar Marcus Dahlström, universitetslektor i matematisk fysik vid LTH.

Teorin för detta kvantmekaniska fenomen presenterades 1955 av Autler och Townes, men den har alltså bara kunnat påvisas för strålning med långa våglängder, från mikrovågor till infraröd strålning och optiskt ljus. Det experimentella genombrott som nu gjorts består i att Rabi-svängningar har uppmätts vid tio gånger kortare våglängd än tidigare.

– Vi har visat att det går att driva en elektron i helium upp till ett exciterat tillstånd och sedan tillbaka ner igen i en kontrollerad rörelse, säger Marcus Dahlström.

Eftersom helium har störst jonisationsenergi av alla atomer innebär denna demonstration att i princip alla atomer och molekyler nu kan fås att hoppa på liknande sätt. Experimentet utfördes med en ny typ av ljuskälla, en så kallad Fri-Elektron Laser (FEL), som byggts vid Trieste i Italien. Mätningarna gjordes av forskare i ett internationellt samarbete som leddes av Saikat Nandi, forskare vid CNRS i Frankrike och tidigare verksam vid Lunds universitet. 

Då resultaten från experimentet visade sig svåra att tolka kontaktades Marcus Dahlströms forskargrupp för att utföra numeriska simuleringar och analytiska beräkningar. Problemet var att man inte direkt kan se vad elektronerna gör, eftersom de är för små och för snabba.

– Lösningen på detta problem kan man förstå med hopprepsanalogin: Om vi blundar kan vi tydligt höra olika ljud då barnet hoppar och då hopprepet piskar i backen. På liknande sätt kommer olika elektronvågor att skickas ut från grundtillståndet och det exciterade tillståndet i atomen. Genom att förstå dessa två vågor kunde de experimentella resultaten tolkas. Det var ett mycket spännande projekt där jag och mina doktorander Edvin Olofsson och Mattias Bertolino flera gånger fick Aha-upplevelser, säger Marcus Dahlström.

Experimentet visar att det nu är möjligt att styra övergångar i atomer som kräver stor excitationenergi – alltså en kort våglängd på ljuset – enligt Einsteins teori för ljuspartiklar. I tillämpningar kan detta användas för att styra nya typer av kemiska reaktioner som tidigare inte varit möjliga. Att bryta  och skapa nya bindningar med dessa starka laserpulser gör det också möjligt att driva reaktioner i stora antal molekyler på samma gång.

Att producera exotiska tillstånd av atomer, eller molekyler, som alla är exciterade skapar också spännande möjligheter för att kontrollera ljuspulserna själva. Energi från ljuset kan först lagras en tid i atomerna, men när elektronerna sedan vill falla tillbaka sitt grundtillstånd görs detta på ett dramatiskt nytt sätt.

– Det kan liknas vid en gitarrförstärkare som får rundgång. Det är ett kvantmekaniskt fenomen som liknar det som sker i en laser där intensivt ljus skapas. Men hur snabbt denna kollektiva process kan ske beror på hur många och hur tätt packade atomerna är i gasen och detta är fortfarande pågående forskning som jag och min forskargrupp arbetar med i ett Wallenberg Academy Fellow projekt, säger Marcus Dahlström.

Länk till artikeln i Nature: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04948-y

Fakta: Exciterat tillstånd är tillstånd för ett kvantmekaniskt system. Ett sådant system kan i allmänhet endast anta vissa bestämda energinivåer. Den lägsta av dessa kallas grundtillstånd och de övriga exciterade tillstånd. Källa: Nationalencyklopedin

För mer information, kontakta: marcus.dahlstrom@matfys.lth.se