Elektronens rörelse fångas i Lund

– Att kunna studera elektronerna på deras egna tidskalor är otroligt spännande och kul, säger Eva Lindroth, professor i fysik vid Stockholms universitet.

Elektroners rörelse mäts i attosekunder, men hur kort tid handlar det egentligen om? När vi pratar om ögonblick menar vi oftast det tidsintervall då hjärtat hinner att slå ett slag, eller kanske den flyktiga stunden då vi anar en blixt som lyser upp himlen. Tiden det tar att blinka. Inom denna tidrymd – en ynka sekund – hinner det att gå en miljard miljarder atto­sekunder – eller, det går lika många attosekunder på en sekund som det har gått sekunder under hela universums existens.

Vid dessa tidsskalor kommer man ner på elektronernas nivå.

– Vi brukar prata om att det tar omkring 150 attosekunder för elektroner att kretsa kring sin atomkärna, berättar Eva Lindroth.

Forskarna trodde länge att atto­sekundernas värld var onåbar och att den absoluta gränsen för hur korta ögonblick man kunde åstadkomma var femtosekunder – tusen gånger längre än attosekunder. Med femtosekunder kan man studera rörelsen hos atomer och molekyler, men för att tränga in i atomerna och nå elektronerna behövs tidskalor på attonivå.

Begränsningen sätts av ljuset självt. Ljus består av vågor, där längden på en våg utgör tiden mellan två vågtoppar. De kortaste laservågorna som finns spänner över några få femtosekunder, flera tusen gånger längre än attosekunder. Medan tidigare framsteg inom tidmätning skett genom att forskarna utvecklat alltmer avancerad teknik, behövdes nya rön kring fysikens fundament för att nå attosekunderna. 

– Det behövdes övertoner, vilket Anne L’Huillier upptäckte i slutet av 1980-talet, berättar Mats Larsson, professor i molekylfysik vid Stockholms universitet och ledamot i Nobelkommittén.

När strängen på en gitarr svänger med hela sin längd hörs grundtonen – och övertoner från flera svängningar över samma längd. Liksom ljudvågor har även laserljus en grundton, den mellan två vågtoppar. Mellan dessa toppar kan övertoner uppstå, om ljuset sänds genom rätt sorts medium.

När laserljus passerar genom en ädelgas växelverkar ljuset med atomerna i gasen och ger dess elektroner extra energi. Övertoner kan då uppstå mellan två vågtoppar i ljuset. Närmare bestämt kunde Anne L’Huillier visa att det uppstår många övertoner som alla har samma intensitet, vilket gav nyckeln till att kunna öppna upp atomerna och studera elektronerna.

– När övertonerna sammanfaller på rätt sätt tar vissa delar av ljuset ut varandra, medan andra delar ger en konstruktiv interferens, förklarar Mats Larsson.

Vid konstruktiv interferens förstärker övertonernas vågor varandra och framstår som en gemensam starkare våg. Vid dessa uppstår en serie ljuspulser – så pass korta att de når elektronernas korta tidsrymder. 

Sin Nobelprisade forskning gjorde Anne L’Huillier vid forsknings­institutet i Saclay utanför Paris, där hon sedan fortsatte studera atto­sekundsfysiken. Hon samarbetade tidigt med forskare i Sverige, bland annat som postdoktor vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg 1986 samt som gästforskare i Lund där man höll på att upprätta ett avancerat lasercentrum. Lunds ambitioner fick Anne L’Huillier att under 1990-talet flytta sin forskning dit och där har hon varit kvar sen dess.

Det dröjde dock över ett decennium innan hennes upptäckter ledde till genombrott i praktiska tillämpningar. Först på 2000-talet lyckades de två andra av 2023 års fysikpristagare, Pierre Agostini och Ferenc Krausz, på varsitt håll ta fram två olika experiment som kunde mäta och bekräfta förekomsten av pulser på några hundratals attosekunder. I dag kan pulser så pass korta som ett tiotal attosekunder skapas och mätas, en bedrift som krävt grundforskning och samarbete över årtionden. 

– Attofysiken står på många ben, förklarar Cord Arnold, lektor i laserfysik vid Lunds universitet. Sedan 2010 arbetar han vid ett av de ben som finns hos attofysikgruppen i Lund. Där ägnar forskarna sig åt att förfina femtosekundslasrar för ännu större kontroll av attosekundspulserna. 

– Anne L’Huillier har under sina år här lyckats samla en otroligt bra grupp. Hon har drivit ett forskningsområde som varit intressant och spännande för unga forskare, vilket har varit otroligt viktigt för utvecklingen och genomslaget av attosekunds­fysiken, säger Cord Arnold. 

Att hon är en uppskattad lärare vittnar kollegorna vid Lunds universitet om.

– Jag hade andra inriktningar på mina studier, men efter en kurs i laserfysik med Anne så bytte jag inriktning helt och forskar nu på laserfysik, berättar Olle Lundh, universitetslektor i atomfysik vid Lunds universitet.

Anne L’Huillier är den femte kvinnan och den femte svensken att få ett Nobelpris i fysik.

– Det är ett väldigt prestigefullt pris och jag är så glad över att få det. Det är helt otroligt. Det är inte heller så många kvinnor som får detta pris så det gör det väldigt speciellt, säger Anne L’Huillier på länk när Forskning & Framsteg frågar hur det känns att få priset.

Men vad är det som fascinerar med dessa flyktiga ögonblick i det allra minsta?

– Det är mänskligt att vilja förstå, och vi tar fram verktyg som synliggör det som inte syns, så att vi kan förstå även de allra minsta delarna, säger Cord Arnold. 

Attosekundspulser låter forskarna studera förloppet när ljus och materia interagerar.

– Länge trodde man sådana interaktioner var momentana. Nu vet vi att så inte är fallet, säger Eva Lindroth. 

Ett av de tydligaste exemplen på växelverkan mellan ljus och materia är den fotoelektriska effekten, upptäckt av Albert Einstein år 1905, vilket sedermera gav honom Nobelpriset år 1921. Effekten går ut på att ljus med tillräckligt hög energi kan överföra energin till ett material som i sin tur skickar ut elektroner. Med atto­sekundsfysik har det blivit möjligt att studera processen i detalj, från det att ljusenergin absorberas av en atom och överförs till en elektron till det att elektronen kastas ut från atomen. 

Den fotoelektriska effekten ligger till grund för hur solceller fungerar, ett av många möjliga användningsområden av attosekundsfysiken. Cord Arnold påpekar att flera potentiella tillämpningar fortfarande är i sin vagga, men att framtiden är ljus.

– Attofysiken bidrar med kraftfulla verktyg till många fält, såsom kemi, biologi och medicin. 

Genom att studera elektroners rörelse i realtid kan kemiska reaktioner studeras i detalj, vilket kan komma att användas i framtida diagnosverktyg för cancer. Sådan typ att forskning sysslar bland annat pristagaren Ferenc Krausz med, där man i framtiden hoppas kunna använda attosekundspulser för att kunna upptäcka cancer genom ett enkelt blodprov.