Partikelfysik

Nobelpriset i fysik tar oss djupare in i elektronernas värld!

Dennis Cejvan

Nobelpristagarna Pierre Agostini, Ferenc Krausz och Anne L’Huillier har gjort det möjligt att med hjälp av laserpulser studera elektronernas rörelse i atomer. Rörelser som tidigare varit för snabba för att studera tydligt.

Agostini, Krausz och L’Huillier tilldelades priset “för experimentella metoder som genererar attosekundpulser av ljus för studier av elektrondynamik i materia”. Med andra ord har trion tagit fram experimentella metoder, som genererar pulser av ljus som bara är attosekunder långa. En attosekund är bara en miljarddel av en miljarddels sekund lång. Det innebär att det går lika många attosekunder på en sekund som det gått sekunder sedan universum kom till för 13,8 miljarder år sedan.

Innan attofysiken så var femtosekundpulser de kortaste pulserna man kunde generera, vilket är för långt för att tydliggöra elektronernas rörelse. För att tydligt studera hur elektroner beter sig krävs alltså attosekundpulser. Fram till femtosekunden så var det förbättringar i teknik som hade gett upphov till kortare och kortare ljuspulser. För att nå elektronernas tidsskala krävdes däremot något annat. 

L’Huillier och övertoner

En viktig pusselbit i genereringen av attosekundpulser ligger i framställande av ljusvågors övertoner. En överton av en våg är en våg vars frekvens, alltså antalet svängningar per sekund, är ett visst antal gånger så stor som den ursprungliga vågens frekvens. Om en våg hinner göra en hel svängning – alltså svänga upp, ner och tillbaka till utgångsläget – under en viss tid, hinner den första övertonen av den vågen att göra två hela svängningar under samma tid. 

Tiden det tar en ljusvåg att genomföra en hel svängning kallas för vågens period. Det är denna som bestämmer den kortaste möjliga ljuspulsen av vågen. Ju kortare perioden är, desto kortare blir ljuspulsen. Eftersom övertonerna har kortare perioder, kan de skapa kortare ljuspulser.

Anne L’Huillier och hennes medarbetare lyckades generera övertoner av infrarött laserljus i Frankrike 1987 genom experiment där laserljuset skickades genom ädelgaser. I tidigare experiment hade laser med kortare våglängd än infrarött ljus använts. Där visade sig det infraröda ljuset leda till fler och starkare övertoner. 

Anledningen till dessa övertoner är en växelverkan mellan atomerna i gasen och ljusvågen som skickas genom gasen. Ljusvågen ger upphov till en förvrängning av atomens elektriska fält, vilket är det fält som håller fast atomens elektroner. Denna förvrängning gör att elektroner kan bli fria från atomen. Sättet som ljusvågen påverkar atomen är inte konstant, utan beror på hur ljusets elektriska fält svänger. Eftersom fältet byter riktning dras elektroner tillbaka till sin ursprungliga position. Elektronerna kan dock inte bindas till atomkärnan igen utan att släppa ifrån sig energin som de fått då de frigjorts. Det är den energi som elektronerna skickar ut som blir övertoner i det ultravioletta spektrumet. 

Agostinis tåg av ljuspulser och Krausz isolerade ljuspuls

Övertonerna av ljus som genereras när laserljus skickas genom en gas existerar inte isolerat, utan växelverkar med varandra. Beroende på hur de övertonerna sammanfaller påverkas de på olika sätt. Om topparna i ljusvågorna möts blir ljuset starkare, medan det försvagas när toppar sammanfaller med dalar. Om förutsättningarna är rätta kan övertonernas växelverkan orsaka en serie, eller ett “tåg”, av pulser i det ultravioletta spektrat med en längd på några hundra attosekunder var. 

2001 kunde Pierre Agostini tillsammans med sina medarbetare generera och undersöka en sådan serie av ljuspulser. I experimentet producerade de en kombinerad stråle, där serien av ljuspulser sattes ihop med en fördröjd del av den egentliga laserpulsen. På så sätt kunde de se hur övertonerna sammanföll. Tekniken Agostinis grupp använde gjorde det även möjligt att mäta längden av de enskilda pulserna, som visade sig vara 250 attosekunder. 

Samma år lyckades Ferenc Krausz forskargrupp isolera en enskild 650 attosekunder lång ljuspuls. Denna användes sedan av forskarna för att undersöka hur elektroner rycks loss från sina atomer. 

Bild från Unsplash

Framtida användningsområden

Flera framsteg har gjorts i attofysiken sedan experimenten genomfördes för mer än två decennier sedan. Idag är det möjligt att generera pulser som endast är några tiotal attosekunder långa. 


Attosekundpulserna synliggör viktig information om hur elektroner beter sig inom atomer. Exempelvis kan pulserna användas för att mäta tiden det tar för en elektron att frigöras från en atom. Dessutom kan pulserna användas för att se hur elektronerna är fördelade i en atom eller en molekyl, samt hur fördelningen svänger från sida till sida. 

Utöver vidare studier av elektroner har attofysiken bland annat praktiska tillämpningar inom medicinsk diagnostik. När molekyler knuffas till av attosekundpulser avges en signal som berättar vilken typ av molekyl som knuffats till. I framtiden skulle det kunna användas för att upptäcka tecken på sjukdomar i blodet. Till exempel har Ferenz Krausz undersökt hur den metoden kan användas för att detektera lungcancer i ett tidigt stadium. 

Detta Nobelpris visar tydligt hur forskning bedrivs steg för steg, eftersom Krausz och Agostinis forskning grundade sig på L’Huilliers upptäckter. Tillsammans har Nobelpristagarna bidragit till en fördjupad förståelse för elektroner och deras interaktion med omvärlden. Utan den förståelsen hade dagens framsteg inte varit möjliga.

Källor som användes i den här artikeln

Nobel Prize Outreach AB 2023; Pressmeddelande: Nobelpriset i fysik 2023; Nobel Prize ; 2023; https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/213182-press-release-swedish/, 2023-10-31.

Emma Bubola & Katrina Miller; obel Prize in Physics Awarded to 3 Scientists for Illuminating How Electrons Move; The New York Times ; 2023; https://www.nytimes.com/2023/10/03/science/nobel-prize-physics.html?searchResultPosition=1, 2023-10-31.

Kungliga Vetenskapsakademin; Scientific background: “For experimental methods that generate attosecond pulses of light for the study of electron dynamics in matter”; 2023; https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/advanced-physicsprize2023-2.pdf, 2023-11-01.

Kungliga Vetenskapsakademin; Populärvetenskaplig information: Elektroner i blixtbelysning; 2023; https://www.nobelprize.org/uploads/2023/11/popular-physicsprize2023-swedish-1.pdf, 2023-11-04.

Lunds Universitet; jubileumskurs: Ultrakorta laserblixtar för att fånga elektroners rörelse; 2017-08-03; https://www.youtube.com/watch?v=OXTGeQAAk4E, 2023-11-05.

El Pais; Ansede, Manuel. Ferenc Krausz, winner of the Nobel Prize in Physics: Many types of cancer have ‘a very distinctive infrared light signature’; El Pais ; 2023; https://english.elpais.com/science-tech/2023-11-14/ferenc-krausz-winner-of-the-nobel-prize-in-physics-many-types-of-cancer-have-a-very-distinctive-infrared-light-signature.html, 2023-11-21.