Laserdomptören skruvar upp effekten

Under ett kort ögonblick kan László Veisz kontrollera ungefär fem gånger så hög effekt som genomsnittet av hela världens mänskliga energiproduktion.

– Det är en specialitet i vetenskapen, att vi försöker nå extrema tillstånd. Här gör vi det genom att trycka ihop våra experiment i tid och rum, säger László Veisz.

Totalt sett drar inte hans anläggning här på Umeå universitet några kopiösa mängder energi, men genom att trycka ihop ett energipaket till oerhört kort tid blir resultatet enormt hög effekt under just det ögonblicket. Det är inte den högsta effekt som någonsin uppnåtts, men det ska vara den högsta i ett lasersystem i Sverige.

László Veisz har en energisk utstrålning. När han börjar förklara saker som han tycker är viktiga pratar han mycket fort – han nästan studsar. Han är professor och forskningsledare för Relativistiska attosekundfysiklaboratoriet (REAL) vid Umeå universitet, som han har byggt upp tillsammans med sina medarbetare och studenter. Som så ofta i forskar­världen går det inte att köpa det perfekta systemet över disk, utan det utvecklas och skräddarsys särskilt för detta labb.

Det hörs på namnet att attosekundfysiklaboratoriet är kopplat till Nobelpriset i fysik 2023, som gick till Pierre Agostini, Anne L’Huillier och Ferenc Krausz för deras experiment med att skapa extremt korta ljuspulser. En atto­sekund är så kort att det går ungefär lika många atto­sekunder på en sekund som det har funnits sekunder sedan universum uppstod. Ljusblixtar som varar bara några tiotals eller några hundra attosekunder kan användas för att undersöka snabba förlopp som inte går att se annars. Labbet här i Umeå är ett av dem där Nobelprisade upptäckter kommer till användning. Faktum är att László Veisz tidigare har jobbat på Max-Planck-Institut für Quantenoptik i Garching, Tyskland, tillsammans med Ferenc Krausz, och han har också ett samarbete med Anne L’Huillier. Så han var en av dem som jublade lite extra mycket i samband med priset.

– Det har varit en väldigt intensiv tid, säger László Veisz.

Efter att Nobelpriset tillkännagavs i oktober har det blivit en rad olika speciella evenemang. Ferenc Krausz har varit på besök här i Umeå, och László Veisz själv har hållit föredrag om Nobelpriset.

Nu är det lite lugnare igen, och han visar gärna sin anläggning.

– Alla större laserlabb är placerade i källaren. Det är mindre störande vibrationer än högt uppe i en byggnad, och det finns inga fönster så det är bra för lasersäkerheten, förklarar László Veisz.

Paradoxalt nog kommer vi dit genom att först gå uppför en trappa. På Umeå universitet är många av de gula tegelbyggnaderna hopkopplade med glasgångar ovanför markplanet, så att det går att förflytta sig mellan dem utan att passera ytterdörren. Efter några vändningar och fler trappor, den här gången neråt, kommer vi fram till en källarkorridor med en rad laboratorieutrymmen, varav REAL tar upp en stor del.

Innan det blir några attosekundpulser behövs ett system med många olika delar. László Veisz går in bakom några tunga gardiner och lyfter på en huv för att peka på komponenterna i lasersystemet där under.

– Här sträcker vi ut pulsen, och sedan går den sträckta signalen till förstärkaren.

Det här knepet hänger ihop med ett annat Nobelpris i fysik, nämligen ena hälften av priset från 2018, då Gérard Mourou och Donna Strickland belönades för sin teknik att förstärka korta laserpulser. (Den andra hälften av fysikpriset 2018 gick till Arthur Ashkin för den optiska pincetten. ) Det vanliga sättet att förstärka laser fungerar bara till en viss gräns, för sedan förstörs förstärkarmaterialet. Tricket är att sträcka ut pulsen i tiden, sedan förstärka den, och till sist trycka ihop den igen. CPA kallas det, för chirped pulse amplification, och har blivit en standardteknik.

Men för att komma den extra biten behövs fler knep. Först används något som kallas optisk parametrisk förstärkning ihop med CPA. Den högsta effekten, den som är fem gånger större än hela världens produktion, skapas med det stora lasersystemet som forskargruppen har kallat light wave synthesizer. Det kombinerar – syntetiserar – ljusvågor från två olika förstärkningssystem för att få en våg som är ännu kortare. Fortfarande är tidsskalan femtosekunder, tusen gånger längre än attosekunder. Det är här den största effekten nås.

Det är lätt att bli yr av alla stora och små tal som bollas omkring när de här experimenten ska beskrivas, så vi kan försöka jämföra det med något vardagligt som att koka vatten.

Effekt är ett mått på energi per tidsenhet, så även om det är ganska lite energi som omsätts kan effekten bli hög om det görs på kort tid. Ta all förbränning av fossila bränslen, lägg på varje solcell, kärnkraftverk och vindsnurra och så vidare, över hela jorden. Det internationella energirådet AIE har uppskattat att denna energiproduktion har en samlad effekt på 19,6 på terawatt, alltså 19 600 000 000 000 watt. Det motsvarar effekten hos ungefär tio miljarder vanliga vattenkokare, en sådan som du kanske har i köket.

Här i labbet skapas en ljusblixt och trycks ihop till 4,5 femtosekunder, eller 0,000 000 000 000 0045 sekunder. Effekten blir då kopiösa 100 tera­watt, men under så kort tid att den totala energin ändå bara motsvarar att värma ett tiondels gram vatten lite drygt en grad.

De här pulserna är vid den yttersta gränsen för hur kort det går att göra med synligt eller infrarött ljus. En ljuspuls måste ha minst en hel vågsvängning upp och ned och tillbaka igen för att det ska gå att säga att den har en våglängd över huvud taget – kortare går det inte att få. Forskargruppens light wave synthesizer kan göra en puls med en och en halv svängning.

– Så när det här elektriska fältet kommer i kontakt med materia, då sparkar det elektriska partiklar först åt ena hållet, och sedan åt andra hållet, och sedan åt första hållet igen, och sedan är det slut, säger László Veisz.

De här enstaka elektriska sparkarna påverkar materians lättrörliga elektroner, och det är användbart i olika typer av experiment. Det kan användas för att generera isolerade atto­sekund­pulser – till skillnad från pulståg med många blixtar efter varandra – eller för att sätta fart på elektronknippen som är attosekundlånga och rör sig med relativistiska hastigheter.

Även attosekundpulserna som produceras i det här laboratoriet är lite extra vässade, eftersom de har hög fotonenergi som kommer med extra korta våglängder, samtidigt som pulserna är ljusstarka med många fotoner.

– Det är bara vi i hela världen som kan göra det här, säger László Veisz.

Det finns andra laboratorier som gör attosekundpulser med hög intensitet, men de når bara upp till ungefär halva fotonenergin jäm­fört med vad de klarar i REAL, enligt László Veisz. Det här gör att pulserna har tillräckligt mycket energi för att slå loss elektroner som sitter djupare inne i en atom än de yttersta atomskalen.

Forskargruppen har gjort några försök med ädelgasen xenon. När inre elektroner dras bort från atomen kan andra elektroner med högre energi falla ner och fylla hålet. Det är en dynamisk situation, och intressant även för att energinivåerna hos atomens övriga elektroner påverkas när någon av de inre elektronerna saknas.

Framöver tänker forskarna här göra fler experiment med xenon. De planerar också att titta på organiska molekyler som innehåller jod, och rycka loss elektroner från jodatomen för att sedan studera hur laddningen rör sig i molekylen och hur det går till när molekylen senare faller sönder.

Det finns också en till gren av forskningen vid REAL, som handlar om att accelerera elektroner med laser. Med hjälp av lasern skapas en sorts svallvåg i en elektriskt laddad gas (ett plasma), som i sin tur sätter fart på elektronerna.

I framtiden skulle den tekniken kunna utvecklas för att bygga mindre och billigare partikelacceleratorer, som kan användas för till exempel cancerbehandling. Men det finns också många olika tillämpnings­områden inom forskningen. Det här är ganska hett och studeras på många ställen i världen.

– Tekniken det bygger på skulle kunna vara en kandidat för ett Nobelpris i framtiden, tippar László Veisz.

I så fall blir det ännu en Nobelprisbelönad teknik som ligger till grund för arbetet i labbet. Men László Veisz vill inte riktigt sätta några namn på det möjliga framtida priset, eftersom många har varit inblandade i att utveckla det här. Det blir i så fall en nöt för Nobelkommittén i fysik att knäcka.