Jakten på det kortaste ögonblicket

Anne L’Huillier är en av 2023 års Nobelpristagare i fysik. Det här är en artikel från 2018.

När professor Anne L’Huillier går nedför trapporna till laserlaboratoriet hinner hon blinka ungefär tio gånger. Varje blinkning varar ett par tiondelar av en sekund.

Ett ögonblick. På en mänsklig tidsskala är det en sorts gräns för hur små tider som kan spela någon roll. En racerförare kan hinna uppfatta ett hinder och börja en undanmanöver på samma tid som en blinkning varar. Då är det fråga om intränade reflexer – att bli medveten om vad det är man sett och fundera på en lämplig reaktion tar mycket längre tid.

Ändå hinner så mycket hända under en blinkning. Ett bi hinner slå mer än tio vingslag. En vattendroppe som träffar en pöl hinner bryta genom ytan och absorberas. En spräckt ballong krymper ihop med en smäll på bara en bråkdel av samma tid.

Mänskliga sinnen förslår inte långt när det gäller att studera riktigt snabba fenomen. Spelfilmens tjugofyra stillbilder i sekunden ter sig för våra ögon som en mjuk och kontinuerlig rörelse. Under vissa förhållanden kan en människa uppfatta något som blixtrar förbi fortare än en bildruta i en film, men vi kan till exempel inte urskilja delarna i en rörelse.

På 1800-talet pågick en debatt om hur hästar springer: Lyfter de någon gång alla hovar från marken samtidigt under galopp? Frågan kunde avgöras när fotografipionjären Eadweard Muybridge lyckades ta en serie bilder i snabb följd med hjälp av flera kameror i rad och på så vis fånga ögonblicket då alla hovarna var i luften. Höghastighetsfotografering har sedan dess blivit ett verktyg för många sorters vetenskapliga studier. Numera går det att med rätt utrustning och tillräckligt starkt ljus ta bilder på bara miljon- eller miljarddelar av en sekund. Men när fysiker som Anne L’Huillier vill titta in i atomer och granska elektronernas rörelser, då talar de om miljarddelar av en miljarddels sekund: attosekunder. Då behövs en helt annan typ av höghastighetsverktyg.

Forskningen har många knep för att studera fenomen som ligger långt utanför det vi kan uppfatta med vår oförstärkta syn, hörsel och känsel. Fysiker uppfinner artificiella sinnen för att uppfånga elektriska och magnetiska fält, urskilja nyanser i ljuset från riktigt avlägsna stjärnor eller fånga enskilda elementarpartiklars flykt. Det Anne L’Huillier har ägnat sin forskarbana åt är att fånga det kortast möjliga ögonblicket.

– Jag har arbetat inom nästan samma område i 30 år. Det är ett privilegium att ha fått vara med och se hela forskningsfältet växa fram.

Ögonblick intill ögonblick i tre decennier. Små korta stycken av tid bildar ett liv – och en forskarkarriär. Resan har gått från Paris till Lund, och från ett första suggestivt experimentresultat till en egen framgångsrik forskargrupp. Nu utformar de försök där ljuspulserna kan användas för att studera detaljer i elektronernas dans kring atomkärnan. Förra året lyckades de till exempel göra en mätning som jämför den tid det tar för olika elektroner i en atom att kastas ut från sina banor.

Anne L’Huillier letar fram sina skyddsglasögon i hyllan i labbkorridoren. Laserljuset som används i försöken här är infrarött och därmed osynligt, men det är kraftigt nog att kunna skada ett oskyddat öga om en stråle skulle smita ut på fel ställe. Sedan byter hon ytterskorna mot laboratorietofflor. Nu är hon klar för att stiga in i ett av de tre rummen som rymmer lasersystemen.

Mellan vita väggar lyser hårt lysrörsljus över experimentutrustningen. Själva laseroptiken är dold inuti svarta lådor som tar upp en stor del av rummet. På ena sidan av laboratoriet syns de stålblanka höljena runt kammaren, där ljuspulser som bara är kring 100 attosekunder långa får möta gasatomer. Ut från den leder ett rör där elektroner färdas när de har stötts ut från sina atomer.

En av doktoranderna i forskargruppen, David Busto, står och tittar lite bekymrat på en skärm. En grupp studenter på masternivå har laborationsövning i dag, men han har skickat dem på rast. Datorn hängde sig, och nu gäller det att få i gång den igen. Hela experimentuppställningen kan vara hur bra som helst, men om inte datorn läser ut signalerna är forskaren blind och döv för det som händer.

Att arbeta med det som ligger så långt bortom vad mänskliga sinnen kan uppfatta, innebär att nysta sig fram i flera led genom experimenten. Här börjar det med laserljuset, som ruskar om atomer och skapar nytt ljus med nya egenskaper. Då bildas de extremt korta ljusblixtar som är nyckeln till attosekundfysiken. De har en tidsskala som överensstämmer med atomernas egen inbyggda rytm.

Atomfysik är elektronernas fysik. En atoms egenskaper bestäms av de elektroner som kretsar kring kärnan, som ger atomen dess form och storlek och som är atomens kontaktyta mot omvärlden. Elektronerna kan inte bete sig hur som helst, utan måste hålla sig till vissa tillgängliga banor med bestämda energier. När elektroner flyttar sig mellan banor, eller slungas ut från sin atom, sker det typiskt på några tiotal attosekunder. Det är sådana händelser som Anne L’Huillier och hennes forskargrupp studerar.

Anne L’Huillier har velat bli forskare så länge hon minns. En av förebilderna var hennes morfar, som dog när hon var fem år. För den unga Anne blev berättelserna om honom en sorts familjelegend. Under kriget hjälpte han motståndsrörelsen, men han gjorde det inte med vapen, utan som radioingenjör – med vetenskapen till hjälp. Det gjorde intryck.

Intresset för naturvetenskap fick henne att börja läsa matematik och fysik på universitetet i Paris. Hon hade några mycket bra lärare som lockade henne att inrikta in sig på atomfysik, bland annat Claude Cohen-Tannoudji, som senare belönades med ett Nobelpris. Utbildningen var övervägande teoretisk, men när hon sedan sökte forskarutbildning drogs hon till något mer experimentellt.

– Jag ville göra något konkret med händerna. Det blir mer verkligt då, säger hon.

Avhandlingen handlade redan den om atomer och laserljus. Senare fick hon anställning på forskningsinstitutet i Saclay utanför Paris. Där var ett samarbete i gång med Lunds universitet, som vid den här tiden höll på att bygga upp ett avancerat laserlaboratorium.

Anne L’Huillier besökte Lund 1992 för att delta i de tidiga experimenten vid det nya laboratoriet. Här lärde hon känna en annan ung forskare, som senare blev hennes man.

Några år senare sökte hon sig tillbaka till Lund och fick en anställning vid universitetet, där hon sedan blev utnämnd till professor 1997.

År 2001 påvisades de första pulserna som kunde mätas i attosekunder. Anne L’Huillier och hennes forskargrupp låg inte långt efter. År 2003 hade de världsrekordet för de kortaste pulserna som någonsin skapats: 170 attosekunder.

Vart fysiken skulle leda henne anade hon knappast när hon började studera.

– Jag visste att det är svårt att bli någonting i forskarvärlden. Men jag bestämde mig för att försöka och se hur långt jag kunde komma.

Hon funderar lite.

– Och det gick ju ganska bra, tillägger hon.

Efter mer än trettio års arbete med liknande saker är en del tankebanor mycket väl uppövade. I sina resonemang rör sig Anne L’Huillier vant mellan olika perspektiv som kan vara svåra att hänga med i för den som inte vant sig vid atomernas värld. Elektroner är inte små hårda kulor, så som de ofta ritas i skolböckerna, utan moln av sannolikhet som bäst beskrivs med samma sorts matematik som vågor. Men det hindrar inte att de i vissa lägen faktiskt är lättare att förstå om de betraktas som små paket, nästan som de där tecknade kulorna.

På liknande sätt är det med ljuset. Ibland passar det bäst att tänka på det som vågor, ibland mer som en ström av partiklar. Det betyder inte att fysikerna inte begriper vad ljus är, utan att ljusets natur helt enkelt bäst beskrivs på olika sätt beroende på vad det är som ska räknas ut eller beskrivas för tillfället.

Men Anne L’Huillier växlar dessutom ofta mellan två olika sätt att tänka på ljusvågorna, två perspektiv som på hennes fysikerspråk heter ”tidsdomän” och ”frekvensdomän”. Det är här som själva hemligheten bakom attosekundpulserna gömmer sig. Vågorna betraktas antingen som en form som breder ut sig och ändras med tiden, eller också utgår man från antalet svängningar per sekund – frekvensen.

En matematiskt perfekt enskild vågform har samma runda och mjuka form på varenda topp och dal. Den kallas för en sinusvåg. Vilken form som helst kan faktiskt beskrivas som en kombination av perfekta sinusvågor av olika frekvenser och med olika styrka. Och omvänt kan den som har möjlighet att tillverka rätt kombination av frekvenser också skapa en godtycklig form. När de olika vågorna svänger tillsammans kommer de att förstärka varandra på vissa ställen och släcka ut varandra på andra ställen.

Beroende på hurdana vågor som bidrar kan den kombinerade vågen få vilken fason som helst. Det går att göra en våg trekantig eller fyrkantig – eller ultrakort och avgränsad som här i attosekundlabbet. Hastiga och skarpa förändringar kräver många vågor med höga frekvenser, alltså sådana som svänger mycket hastigt.

För att skapa de extremt korta ljuspulserna låter Anne L’Huillier och hennes kolleger laserljus lysa på ett moln av atomer, där det får elektronerna att svänga på ett speciellt vis. Elektronerna skickar då ut nytt ljus, med frekvenser som utgör höga övertoner till laserljuset.

Det kan tyckas lite konstigt att tala om att ljus har toner, men ordet är helt enkelt övertaget från akustiken. Det som ger till exempel en fiol just dess egen speciella klang är att varje ton som spelas innehåller övertoner, som svänger många gånger utmed strängens längd. På samma sätt kan alltså laserljusets svängningar få övertoner när det lyser genom rätt medium.

När de här övertonerna ligger i fas med varandra på rätt sätt läggs de ihop till en serie av extremt korta ljuspulser som följer i ett tåg efter varandra. I frekvensdomänen finns en snygg samling av övertoner med olika frekvenser, i tidsdomänen finns i stället en följd av attosekundpulser.

Upptäckten av övertonerna ledde redan den till nya insikter om hur atomer reagerar på ljus. Sedan dess har många olika försök gjorts med att kunna undersöka och behärska själva pulserna. Forskare har sållat ut enstaka övertoner, genererat ensamma attosekundpulser eller manipulerat andra egenskaper, som till exempel ljusets polarisering.

När Anne L’Huillier 1987 för första gången såg höga övertoner från laserljus var det inte mer än en handfull forskargrupper i världen som arbetade med liknande saker. Nu finns det hundratals laboratorier där forskare ägnar sig åt attosekundfysik. I Sverige har Lund fram till helt nyligen varit ensamt om den här sortens experiment. Nu har de fått sällskap av forskare vid flera andra lärosäten, bland annat ett helt nytt laboratorium vid Umeå universitet.

Nu när pulserna kan behärskas är de inte längre bara studieobjekt i sig själva, utan också ett värdefullt verktyg. De kan fungera som en höghastighetskamera som filmar elektronerna i deras rörelse och urskiljer dynamiken i det som tidigare bara kunde beskrivas som en omedelbar förändring. Det börjar bli möjligt att följa hur elektronen uppför sig inuti sin atom eller molekyl.

Det finns till och med intresse från elektronikindustrin som har vittring på en möjlig tillämpning, berättar Anne L’Huillier.

– Men jag ska inte gå in i detalj, för det är lite hemligt.

David Busto har fått i gång datorn och kallar tillbaka studenterna från fikarummet. Anne L’Huillier kommenterar den oplanerade väntetiden:

– Nu får ni lite erfarenhet av hur forskning är. Oftast får man kämpa lite för att få resultat.

Kursen i växelverkan mellan ljus och materia sägs vara en av de svåraste på fysikutbildningen vid Lunds universitet. Men det kan vara värt det, att som student på grundutbildningen få känna på ett verkligt experiment, riktigt nära forskningsfronten.

Försöket går ut på att se att det faktiskt är attosekundpulser som genereras av lasern. Tåget av attosekundpulser skickas in i en gas, tillsammans med en fördröjd del av det ursprungliga laserljuset. Tillsammans påverkar de båda strålarna gasatomernas elektroner, och några av dem kastas ut och kan fångas upp.

Mätningen visar sig på skärmen som färgade band av elektronenergier. Banden motsvarar övertonerna i ljuset som stöter ut elektronerna, men också kombinationen av övertonerna och det infraröda laserljuset. Vissa av banden varierar i styrka när fördröjningen mellan laserljuset och tåget av attosekundpulser ändras, så att de korta pulserna kommer fram på olika ställen i det infraröda laserljusets svängning. Med ett matematiskt knep kan studenterna nu visa att mönstret betyder att där fanns attosekundpulser.

– Ni har just skapat en av de kortaste händelser man kan mäta i universum, poängterar Anne L’Huillier.

En sådan prestation kan vara värd en viss ansträngning.