Tema

För första gången har forskare lyckats filma en elektron

Nu går det att se en elektron på film. I filmen visas hur en elektron guppar på en ljusvåg efter att nyligen slitits loss från en atom. Det är första gången en elektron har filmats och resultaten beskrivs i det senaste numret av Physical Review Letters.

Tidigare har det varit omöjligt att fotografera elektroner eftersom deras väldigt höga hastigheter gjort bilderna suddiga. För att kunna avbilda de här snabba förloppen behövs extremt korta ljusblixtar som tidigare inte funnits. Men med hjälp av en nyutvecklad teknik att generera korta pulser från intensivt laserljus, s k attosekundspulser, har forskare vid Lunds Tekniska Högskola vid Lunds universitet för första gången lyckats filma en elektron.

– Det tar ca 150 attosekunder för en elektron att röra sig ett varv runt en atomkärna. En attosekund är 10 upphöjt till -18 sekunder lång, eller annorlunda uttryckt: En attosekund förhåller sig till en sekund som en sekund förhåller sig till universums ålder, berättar Johan Mauritsson, forskarassistent i Atomfysik vid Lunds Tekniska Högskola. Han är en av sju forskare som ligger bakom studien som letts av honom själv och professor Anne L’Huillier.

Med hjälp av ytterligare en laser har forskarna dessutom kunnat styra elektronens rörelse så att de kunnat avbilda en kollision mellan en elektron och en atom.

– Vi har länge lovat forskarvärlden att vi med hjälp av attosekundspulserna ska kunna filma elektroner som rör sig. Nu när vi har lyckats kan vi t ex undersöka hur elektroner beter sig när de kolliderar med olika objekt. Bilderna kan fungera som stöd för våra beräkningar. I detta fall betedde sig elektronen som vi förväntat oss och bekräftade våra teorier, förklarar Johan Mauritsson.

Forskarna hoppas också få veta lite mer om vad som händer med resten av atomen när en inre elektron lämnar den, t ex hur och när de andra elektronerna fyller upp hålet som då uppstår.

– Det vi sysslar med är ren grundforskning, om det råkar finnas framtida tillämpningar får de ses som en bonus, tillägger Johan Mauritsson.

Filmens längd motsvarar bara en svängning av en ljusvåg, men hastigheten har sedan skruvats ner betydligt så att den går att titta på. Filmsekvensen visar elektronens energifördelning och är därför inte en film i dess vanliga bemärkelse.

Tidigare har forskare studerat elektronernas rörelser med indirekta metoder, t ex genom att mäta deras spektrum. Med dessa metoder har man bara kunnat mäta resultatet av elektronernas rörelse, medan man nu har möjlighet att följa hela förloppet.

Attosekundspulser har varit möjliga att skapa i ett par år, men det är först nu som man lyckats använda dem till att filma elektronrörelser eftersom attosekundspulserna var för sig är för svaga för att kunna ta tydliga bilder.

– Genom att ta flera bilder vid exakt samma tillfälle i processen går det att få starkare, men fortfarande skarpa bilder. Förutsättningen är att processen upprepas på ett identiskt sätt, vilket är fallet med elektronens rörelse i en ljusvåg. Vi har utgått från ett s k stroboskop. Ett stroboskop gör det möjligt att “frysa” en periodisk rörelse, t ex avbilda en kolibri som flaxar med vingarna. Man tar då flera bilder när vingarna är i samma position, t ex högst upp och bilden blir tydlig trots den snabba rörelsen, tydliggör Johan Mauritsson.

Artikeln publiceras i Physical Review letters, vol. 100. Filmen och den vetenskapliga artikeln ”Coherent Electron Scattering Captured by an Attosecond Quantum Stroboscope” finns på http://www.atto.fysik.lth.se

En populärvetenskaplig version av artikeln finns på: http://focus.aps.org/

Filmen går också att se här: ftp://ftp.aip.org/epaps/phys_rev_lett/E-PRLTAO-100-004808/Mauritsson.mov

För mer information, kontakta: Johan Mauritsson, forskarassistent Atomfysik, 046-22 27 654, 0702-38 55 32, Johan.Mauritsson@fysik.lth.se

För första gången har forskare lyckats filma en elektron

 lästid ~ 3 min