Elektronens flykt studerad bortom Heisenberg

Forskare från Lunds Universitet, Göteborgs Universitet och från Fysikum, Stockholms Universitet har, genom att låta korta laser-pulser interferera, dokumenterat det otroligt korta ögonblick då två olika elektroner avlägsnas från en neon-atom då denna belyses med ljus.

Foto-jonisation, som innebär att elektroner frigörs från en atom med hjälp av ljus, är en av fysikens mest fundamentala processer, med stor betydelse också inom teknik och medicin. Den teoretiska beskrivningen gavs av Albert Einstein för mer än hundra år sedan och processen har sedan dess, med hjälp av allt mer avancerade ljuskällor, använts för att undersöka elektron-struktur i så gott som all typ av materia.
Vid sådana studier bestämmer man med hög noggrannhet energin för den utsända elektronen. Men först under de allra sista åren har de öppnats möjligheter att också följa jonisationsförloppet i tiden. Ljuspulser med en tidsutsträckning av under 100 attosekunder (1 attosekund = 10-18 sekunder) har gjort det möjligt att studera det vågpaket, som beskriver den utgående elektronen, under färden ut ur atomens kraftfält.

Bilden visar skillnaden i jonisations-fördröjning mellan elektroner som kommer från 2s-skalet i neon, jämfört med dem som kommer från 2p-skalet. Det nya experimentet visas som gula och röda prickar (färgerna indikerar olika våglängdsområden med olika optiska element). Den teoretiska fördröjningen, som beräknats med mång-partikel teori, visas som en svart linje och överensstämmer mycket väl med experimentet.De gråa diamanterna(exp) jämför istället fördröjningen mellan så kallade uppskakade sluttillstånd med jonisation från 2p. I de uppskakade tillstånden kommer fotoelektronen från 2p orbitalen, men dessutom har någon av de kvarvarande elektronerna hoppat upp i en högre liggande orbital. Den totala energin hos jonen är då lite högre än när en ensam 2s elektron fattas. Dem mörkt grå fyrkanten visar ett äldre experiment där man inte kunde separera uppskakningsprocesserna från jonisation från 2s.

Trots att neon är en relativt simpel atom, med totalt tio elektroner, så krävde experimentet både extremt noggrann tidtagning, och mycket precis energibestämning. Energibestämningen är viktig eftersom det är nödvändigt att skilja ut de fall där den kvarlämnade jonen exciterats.
Elektronens flykttid ändrar sig då avsevärt, även om förändringen av fotoelektronens energi är liten. Hög noggrannhet avseende såväl
energi som tid kan låta som en motsättning. Den mycket korta attosekunds-pulsen har förstås en stor energibredd, det vet vi från Heisenbergs osäkerhets-relation. Trots det uppnåddes en tidsmässig noggrannhet på omkring 20 attosekunder, samtidigt med en energi-noggrannhet på 0.2 electronvolt. Denna samtidiga bestämning av såväl tid som energi är hela två storleksordningar bättre än vad man förväntar sig från osäkerhets-relationen. Att denna kan kringgås förklaras av att man använder en interferensteknik med upprepade mätningar från ett tåg av attosekunds-pulser.

Det här arbetet knyter ihop säcken på en 7 år gammal diskrepans mellan teoretiska förutsägelser och experimentella mätningar av fotojonisation av neon-atomer, samtidigt som det banar väg för ytterligare studier av mer komplexa atomer och molekyler.

– Eva Lindroth, professor vid Fysikum, Stockholms universitet

Läs artikeln Photoionization in the time and frequency domain, Science 2 Nov 2017

(Omslagsbild av Marcus Isinger. Artistisk bild av hur ett tåg av attosekunds-pulser (blått) och en laser-puls (röd)  växelverkar med elektroner i de två yttersta skalen i neon.  )

Share this post
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *