Annons

Rydbergsmateria

Så här börjar Leif Holmlids dagbok från labbet.

Annons

NYÅR: Experimentet fungerar inte

En kurs som jag ansvarar för är snart slut. Fortfarande har jag inte haft tid att testa den nyinköpta lasern ordentligt, och inte heller den interferometer som jag har byggt av inköpta delar. Den ska användas för att studera ljus som passerar genom rydbergsmateria, som är vanlig materia fast i högre energitillstånd (se rutan på sidan 15).

Däremot har doktoranden Shahriar Badiei (bild 1) haft några månader på sig att försöka studera rydbergsmateria av vätgas i sin apparatur. Han har undersökt materia uppbyggd av både kvävemolekyler och kaliumatomer tidigare.

Vi har förbättrat apparaturen i flera steg men resultaten uteblir, trots att vi i gruppen har gjort sådana här experiment sedan ett par år. Men nu bildas inte rydbergsmateria av den vätgas som Shahriar läcker in i vakuumkammaren. Han får fortsätta själv och försöka få det att fungera, för jag vet inte heller vad som är felet.

Det är viktigt att studera rydbergsmateria av just väte, för vätgas är det helt dominerande ämnet i universum och vi har föreslagit att den s k mörka materian i rymden (se rutan på sidan 16) består av rydbergsmateria av väte.

JANUARI:Ingen trodde på lasern

Det mest spännande just nu är att prova om det går att bygga en laser med rydbergsmateria som det aktiva mediet. Tanken dök upp redan för tio år sedan, när jag första gången började förstå vad rydbergsmateria är för något. Men ingen trodde då på en sådan laser, så ingen har testat det än.

För att kunna göra en avstämbar laser, dvs en laser där det går att variera ljusets våglängd, måste man kunna variera egenskaperna hos själva laserkaviteten. Jag har redan tidigare använt principen i en enkel konstruktion. Ett gitter, dvs en blank liten glasbit med ett stort antal ritsar på ytan (ungefär 100 per millimeter), är den del som kan användas för att separera de olika färgerna/våglängderna i ljuset i olika riktningar.

När jag gjorde mätningarna senast hade jag inte tid att programmera en dator att styra en motor och vrida gittret. Så jag lät datorn mäta signalen och vred gittret för hand med en skruv. Men att vrida för hand en halv grad var trettionde sekund blir ganska monotont! Därför behövs en bättre konstruktion för att jag inte ska somna, och en liten motor har inhandlats sedan dess.

JANUARI - FEBRUARI:Fyndig emitter fungerar

En s k emitter ger ett moln av rydbergsmateria när den upphettas till några hundra grader. Det är en liten röd, porös järnoxidcylinder impregnerad med kalium. Sådana små bitar används som katalysatorer för att tillverka styren, råvaran för styrenplast som blir plastbåtar och annat nyttigt. Tillverkningen av styren sker i industriell skala på flera ställen i världen, och genom en god vän har en burk med sådana små pellets kommit till vårt labb (många års forskning krävdes innan man upptäckte denna enkla lösning för att bilda rydbergsmateria).

En ny liten vakuumkammare innehåller emittern. Så nu bildar jag rydbergsmateria och lasern börjar fungera. Jag har planerat att låta laserstrålen gå flera gånger fram och tillbaka med hjälp av två speglar för att få en förstärkt signal, men det fantastiska är att det inte behövs - lasern fungerar ändå! De ljusvågor som kommer från lasern när gittret vrids liknar mycket den hittills oidentifierade infrarödstrålning som kommer från rymden (se rutan upptill på sidan 17).

MARS-APRIL:Annorlunda laser

Eftersom Shahriar inte har det så lätt med sitt experiment som inte fungerar, berättar jag gärna för honom om den nya lasern. Detta är såvitt jag vet första gången som en laser fungerar genom uppvärmning av gasen.

En laser är en mycket speciell anordning, även om alla numera har små lasrar hemma, i CD-spelare och dylikt. Sådana lasrar fungerar genom att elektrisk ström vandrar genom ett halvledarmaterial. Det innebär att man för in elektroner som har mycket högre energi än de som finns i materialet. När elektronerna "faller ner" till tillstånd med lägre energi strålar energin ut som ljus. Eftersom elektronerna påverkar varandra sänder alla ut en ljusvåg med samma fas, en laserstråle.

På liknande sätt faller elektronerna i vår nya laser till lägre energinivåer och ger en laserstråle. Elektronerna har här fått sin höga energi genom att kaliumatomerna som bildar rydbergsmateria förångas från emittern när den värms upp. Shahriar föreslår att vi så fort som möjligt ska använda lasern för kemiska studier av molekyler. Det låter bra.

MAJ:Hektiska undersökningar

Under en något kaotisk period mäter Shahriar och jag ett stort antal egenskaper hos rydbergsmaterielasern. Mycket återstår fortfarande, men vi har studerat ljuset från några molekyler vid låg upplösning.

Snart ska vi göra fler experiment, kanske hinner vi en bra bit innan den spektroskopikurs som vi ger för kemistuderande börjar i september. För då blir tyvärr utrustningen, och delvis även forskaren, upptagna av kursen under ett par månader.

MAJ-JUNI:Slumpen ger nya mätmetoder

I höstas arbetade projektmedarbetaren F med att studera hur vattenånga vid lågt tryck absorberas i en emitter. Han studerade främst några typiska våglängder från vatten med s k Ramanspektroskopi, och använde ett mikroskop.

Experimenten fungerade bra, men det fanns litet mer att göra som F inte hann med. Eftersom vi behöver den äldre spektrometer som F använde, måste jag flytta en nyare spektrometer till hans apparatur. Med denna något bättre utrustning upptäcker jag direkt ytterligare ett femtiotal spektrallinjer. Men de ligger i alldeles fel område där inga Ramanlinjer borde finnas!

Någonstans i någon gratistidskrift har jag läst om utrustning för att eliminera s k plasmalinjer från lasrar som används i Ramanspektroskopi. Kunde detta vara plasmalinjer? En sökning i de bästa databaserna ger noll resultat. Existerar inte fenomenet? Jodå, linjerna finns att se direkt från lasern. Hur kunde de variera i intensitet med mängden vatten i katalysatorn och flera andra parametrar som F hade observerat?

Märkligt nog finns det en känd process som kallas Ramanförstärkning och som i vårt fall innebär att vattenlinjerna förstärks av plasmalinjer så att de syns mycket tydligare. Ramanförstärkningen skulle inte varit möjlig att iaktta om det inte vore så att det just var en emitter för rydbergsmateria som F studerade. Alltså blir både Ramanspektroskopi och Ramanförstärkning mycket känsliga mätmetoder.

JUNI:Grafit blev lösningen

Våra studier av rydbergsmateria inleddes en gång med att vi studerade hur grafitytor fungerar i s k termojoniska energiomvandlare, dvs sådana som ger elektrisk ström direkt från värme. Med rydbergsmateria får man mycket effektiva sådana omvandlare.

Medan jag arbetade med andra experiment i maj behövde jag täcka en yta i apparaturen med ett tunt lager grafit, vilket alltså var en välkänd process för mig. Jag såg då att mer rydbergsmateria bildades vid grafitytan, och påpekade detta för Shahriar.

På själva midsommarafton gör Shahriar en ombyggnad av apparaturen så att laserpulserna efter att de passerat molnet med rydbergsmateria når en metallyta med ett tunt lager grafit på. Denna konstruktion har vi tidigare använt i en dålig form (lasern sköt hål i metallfolien efter någon dag) som vi tagit bort i vårt förbättringsnit. Genast får Shahriar bättre resultat för rydbergsmateria av vätgas än vad någon har sett tidigare!

Det förefaller nu som om vi också kan studera det absolut lägsta energitillståndet av rydbergsmateria, kanske det tillstånd som finns i de allra mest ostörda områdena av universum, i den nästan tomma rymden långt från galaxerna.

Vanlig materia fast energirikare

En atom eller en molekyl är i ett högt energitillstånd när en eller flera av elektronerna lyfts ut till stort avstånd från atomens centrum. Sådana tillstånd kallas rydbergstillstånd, och de flesta tillstånd som finns för en atom är rydbergstillstånd.

De mest intressanta rydbergstillstånden har sina yttersta elektroner i cirkulära banor. Ett sådant cirkulärt tillstånd "lever" länge innan elektronen faller till en lägre energinivå under ljusutsändning, typiskt många sekunder till minuter. Det är mycket längre än ett tillstånd med lägre energi som kanske bara "lever" en nanosekund, dvs en miljarddels sekund. Rydbergsmateria kan uppstå genom att sådana mycket långlivade rydbergstillstånd slår sig samman och bildar ett ännu mer stabilt, plant lager. Från rymden kommer ljus som visar att rydbergstillstånd lätt bildas där.

Tillståndet är döpt efter Janne Rydberg (1854-1919), docent i matematik 1880, professor i fysik vid Lunds universitet 1901-19.

Mörk materia

Man uppskattar att 99 procent av all materia i rymden är mörk materia, dvs materia som inte kan observeras med hjälp av synligt ljus eller annan elektromagnetisk strålning. Det finns ett flertal fantasifulla förslag på vad denna materia är, men en enklare förklaring, som vi nyligen presenterat, vore att den mörka materian består av rydbergsmateria.

Den bildas främst vid ytan av små partiklar och består av väteatomer, universums vanligaste materieform. Speciellt grafitytor ger snabb bildning av rydbergsmateriekluster. Om de inte störs genom kollisioner med t ex energirika partiklar eller vanlig gas med hög temperatur har de en livslängd som teoretiskt kan uppskattas till minst universums livslängd.

Om den mörka materian är rydbergsmateria, är den utspridd över hela universum utom nära stjärnor och planetsystem. Vart man än reser kommer man att kollidera med osynlig rydbergsmateria, och ett föremål som rör sig med en hastighet som är 10 procent eller mer av ljushastigheten kommer att värmas upp så kraftigt att det blir svårt att undvika förångning. Detta kanske är skälet till att inga varelser från andra världar hälsar på oss?

Klotblixtar snart i laboratoriet?

Den teoretiska forskargrupp i Moskva som från början föreslog existensen av rydbergsmateria har också intresserat sig för klotblixtar. Klotblixtar och liknande atmosfäriska fenomen är oftast klotformade, svagt lysande föremål med några tiotal centimeters diameter. De bildas vid blixtnedslag. Klotblixtar flyter omkring i luften men är inte synliga särskilt länge, kanske en minut. Sedan kan de explodera eller bara försvinna.

De ryska forskarna anser att klotblixtar består av rydbergsmateria. Det finns mycket som talar för detta: hur klotblixtarna bildas, deras densitet, energiinnehåll och korta synliga livslängd. I tidigare experiment har vi studerat explosioner av rydbergsmateria, och våra resultat stärker den ryska ståndpunkten. Förhoppningsvis kan vi snart börja tillverka klotblixtar.

Oidentifierad strålning

Den hittills mest ansedda teorin säger att det är kolvätemolekyler, s k PAH, som sänder ut detta ljus. Den mängd kol som i så fall måste finnas i rymden är dock så stor att denna teori är tvivelaktig.

Vi har nyligen föreslagit att det är rydbergsmateria som sänder detta ljus, och i flera olika experiment har vi mätt ljusspektra som är mycket snarlika de oidentifierade band som observeras från rymden.

Forskning & Framsteg berättar om fackgranskade forskningsresultat och om pågående forskning. Våra texter ska vara balanserade och trovärdiga, och sätta forskningsresultaten i sitt sammanhang för att göra dem begripliga. Forskning & Framsteg har rapporterat om vetenskap sedan 1966.