Elke fotograaf weet het: als je een zeer snelle beweging wil fotograferen moet je een heel korte belichtingstijd gebruiken. Allerlei eigenschappen van materialen worden bepaald door het gedrag van de elektronen in die materialen. Veranderingen spelen zich af in tijdsbestekken van minder dan een biljardste seconde (1 gedeeld door 1-met-15-nullen). Om die veranderingen direct te volgen en niet alleen het gemiddelde eindresultaat te zien, willen onderzoekers waarnemingen kunnen doen over een tijdsbestek dat nog korter is. Daarvoor ontwikkelen natuurkundigen laserpulsen met een dergelijke tijdsduur. Dat zijn pulsen van attoseconden. In het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam hebben onderzoekers een lasersysteem ontwikkeld dat zulke korte pulsen maakt. Het is voor het eerst dat in een Nederlands laboratorium dergelijk korte pulsen aantoonbaar zijn geproduceerd. De onderzoekers beschrijven hun recente experimenten in het vakblad Physical Review Letters. Online is het artikel al te raadplegen, de versie in druk verschijnt binnenkort.
De ontwikkeling van ultrakorte optische pulsen heeft de afgelopen tientallen jaren geleid tot belangrijke vooruitgang in de natuurkunde, scheikunde en biologie. De lichtbronnen zijn lasers, omdat die straling van een perfecte kwaliteit leveren die heel nauwkeurig te manipuleren is. Met femtosecondepulsen (een femtoseconde is een biljardste seconde) kunnen de bewegingen van atomen en moleculen direct worden waargenomen. Daardoor kan bijvoorbeeld het dynamische gedrag van complexe biologische moleculen beter worden begrepen. Met femtosecondepulsen zijn echter alleen atomen en moleculen als geheel te volgen, terwijl de elektronen in die deeltjes vaak een belangrijke rol in de bestudeerde processen spelen. Elektronen bewegen echter nog zoveel sneller dat met femtosecondepulsen alleen een soort gemiddelde van hun gedrag te zien is. Daarom zijn onderzoekers geïnteresseerd in een lasersysteem dat nog kortere pulsen kan maken, minder dan een biljardste seconde. Dat is het gebied van de attoseconden (1 attoseconde is 10-18 seconde, ofwel een triljoenste seconde).
Het opwekken, karakteriseren en gebruiken van attosecondepulsen is één van de 'hot topics' in de laserfysica op dit moment. Er wordt op een flink aantal plaatsen in de wereld aan gewerkt. De Europese Unie heeft het belang van het werk ook onderkend en heeft onlangs een subsidie verstrekt aan vijftien onderzoeksgroepen in Europa en Noord-Amerika om het onderzoek verder te stimuleren. Het project wordt gecoördineerd door dr. Marc Vrakking van AMOLF.
'Losse' attosecondepulsen onderscheiden
Op dit moment zijn er vier plaatsen in de wereld waar aantoonbaar attosecondepulsen zijn opgewekt. Eén ervan is AMOLF. Het eerste experiment vond in 2001 in Parijs plaats. Daar werd experimenteel aangetoond dat met een femtosecondelasersysteem pulsen met een duur van ongeveer 200 attoseconden geproduceerd konden worden. Prof.dr. Harm-Geert Muller van AMOLF was een van de onderzoekers die bij dat experiment betrokken waren. Waar de onderzoekers uiteindelijk naar toe willen is afzonderlijke attosecondepulsen maken. Als dat lukt is de ontwikkeling van een nieuwe meettechniek mogelijk voor het attosecondegebied, net zoals er tegenwoordig femtosecondelasers zijn voor gebruik in allerlei soorten onderzoek. Op weg daarheen is het nodig dat het ontstaan van attosecondepulsen heel goed wordt begrepen. Eigenschappen van dergelijke pulsen moeten heel precies onderscheiden en beschreven kunnen worden. En het is nodig dat de opwekking van een trein van attosecondepulsen tot de opwekking van één enkele attosecondepuls kan worden beperkt. Detectie van afzonderlijke attosecondepulsen was met de methode die tot nu toe in Parijs werd gebruikt niet mogelijk. De onderzoekers op AMOLF, Sergei Aseyev, Yongfeng Ni, Leszek Frasinski (gastonderzoeker van de University of Reading), Harm-Geert Muller en Marc Vrakking, hebben nu een manier gevonden waarmee dat wel kan.
Attosecondepulsen worden gemaakt door edelgasatomen met een intense infrarode laserbundel te beschijnen. Die atomen krijgen dan enorm op hun donder en het gevolg is dat ze extreem korte uitbarstingen van ultraviolette straling uitzenden. Het doet een beetje denken aan de rare bijgeluiden die een geluidsinstallatie gaat maken als hij door een te ver opengedraaide versterker overbelast raakt. Die korte pulsen worden hogere harmonischen genoemd. Ze ontstaan op allerlei frequenties. De frequenties kunnen elkaar versterken of uitdoven en zo ontstaan pulsen. Vervolgens worden de pulsen samen met de oorspronkelijke infraroodstraling door een gasbundel van argon geleid. In die bundel maken ze elektronen van de argonatomen los. Die elektronen kunnen zowel langs het elektrische veld van de laser als onder een hoek met dat veld uitvliegen. Van die tweede eigenschap maken de AMOLF-onderzoekers gebruik. De weggevlogen elektronen treffen een detector. De plaats waar ze de detector raken, hangt af van hun energie (ofwel snelheid) en van de richting waarin ze ten opzichte van het elektrische veld van de laser wegvliegen. Een trein van attosecondepulsen kan gekarakteriseerd worden door de energie van de elektronen te meten. Dat was al eerder gedaan, maar het wordt lastiger naarmate er minder pulsen zijn. De AMOLF-onderzoekers hebben nu aangetoond dat karakterisatie van de attosecondepulsen ook mogelijk is op basis van de richting waarin de elektronen vliegen. Dat is bij minder pulsen beter te meten. De onderzoekers stellen dat die methode ook geschikt is voor het karakteriseren van één enkele attosecondepuls. Dit is nu de volgende stap in het onderzoek op AMOLF.
