by En grupp om tre forskare vann Nobelpriset i fysik 2023 för arbete som har revolutionerat hur forskare studerar elektronen – genom att belysa molekyler med attosekundslånga ljusblixtar. Men hur lång är en attosekund och vad kan dessa oändligt korta pulser berätta för forskare om materiens natur?
Jag lärde mig först om detta forskningsområde som doktorand i fysikalisk kemi. Min doktorandhandledares grupp hade ett projekt dedikerat till att studera kemiska reaktioner med hjälp av attosekundpulser. Innan vi förstår varför attosecond-forskning har lett till vetenskapens mest prestigefyllda pris, är det bra att förstå vad en attosecond ljuspuls är.
Hur lång är en attosekund?
“Atto” är det vetenskapliga notationsprefixet som representerar 10⁻¹⁸, en decimalkomma följt av 17 nollor och en 1. Så en ljusblixt som varar en attoseund, eller 0,00000000000000000001 sekund, är alltså en extremt kort ljuspuls.
Faktum är att det går ungefär lika många attosekunder på en sekund som det finns sekunder i universums ålder.
Tidigare kunde forskare studera rörelsen hos tyngre och långsammare atomkärnor med hjälp av ljuspulser i femtosekundsområdet (10⁻¹⁵). Tusen attosekunder är i en femtosekund. Men forskare kunde inte se rörelser på elektronskalan förrän de kunde generera attosekundsljuspulser – elektroner rör sig för snabbt för att forskare ska kunna analysera exakt vad de håller på med på femtosekundnivån.
Attosekundens pulser
Omarrangemanget av elektroner i atomer och molekyler styr många processer inom fysiken och ligger bakom praktiskt taget varje del av kemin. Därför har forskare gjort stora ansträngningar för att förstå hur elektroner rör sig och ordnar om.
Elektroner rör sig dock mycket snabbt i fysikaliska och kemiska processer, vilket försvårar deras studier. För att studera dessa processer använder forskare spektroskopi, en metod som undersöker hur materia absorberar eller avger ljus. För att spåra elektronerna i realtid behöver forskarna en ljuspuls som är kortare än den tid det tar för elektronerna att ordna om sig själva.
Som en analogi, föreställ dig en kamera som bara kan ta längre exponeringstider på ungefär en sekund. Rörliga saker, som en person som springer mot kameran eller en fågel som flyger över himlen, skulle verka suddiga på bilderna som togs och det skulle vara svårt att se exakt vad som pågick.
Föreställ dig sedan att du använder en kamera med en exponeringstid på 1 millisekund. Nu skulle rörelser som tidigare var suddiga lösas upp till tydliga och exakta ögonblicksbilder. På så sätt kan användning av attosekundskalan istället för femtosekundskalan kasta ljus över elektronernas beteende.
Attosecond research
Så vilken typ av forskningsfrågor kan attosecond pulses svara på?
För det första är att bryta en kemisk bindning en grundläggande process i naturen där elektroner som delas mellan två atomer delas upp i obundna atomer. De tidigare delade elektronerna genomgår ultrasnabba förändringar, och attosekundspulser gjorde det möjligt för forskarna att följa brytningen av en kemisk bindning i realtid.
Möjligheten att generera attosekundspulser – forskningen för vilken tre forskare vann Nobelpriset i fysik 2023 – blev först möjlig i början av 2000-talet, och området har växt snabbt sedan dess. Genom att tillhandahålla kortare ögonblicksbilder av atomer och molekyler har attosecond-spektroskopi hjälpt forskare att förstå elektronbeteende i enskilda molekyler, till exempel hur elektronladdningar färdas och hur kemiska bindningar mellan atomer bryts.
I en större skala har attosecond-teknologi också använts för att studera elektronbeteende i flytande vatten och elektronöverföring i halvledare i fast tillstånd. När forskare fortsätter att förbättra sin förmåga att generera attosekundspulser av ljus, kommer de att få en djupare förståelse för de grundläggande partiklarna som utgör materia.
Den här artikeln återpublicerades från The Conversation, en oberoende ideell nyhetssajt dedikerad till att dela idéer från akademiska experter. Konversationen är pålitliga nyheter från experter på en oberoende ideell organisation. Prova vårt kostnadsfria nyhetsbrev.
Den skrevs av: Aaron W. Harrison, Austin College.
Läs mer:
Aaron W. Harrison arbetar inte för, ger råd, äger aktier i eller tar emot finansiering från något företag eller organisation som skulle dra nytta av denna artikel, och har inte avslöjat några relevanta anknytningar utöver deras akademiska anställning.
