En nyutvecklad laserteknik har gjort det möjligt för fysiker i Laboratory for Attosecond Physics (som drivs gemensamt av LMU München och Max Planck Institute of Quantum Optics) att generera attosecond-skurar av högenergifotoner av oöverträffad intensitet. Detta har gjort det möjligt att observera interaktionen mellan flera fotoner i en enda sådan puls med elektroner i en atoms inre omloppsskal.

För att observera den ultrasnabba elektronrörelsen i atomernas inre skal med korta ljuspulser, pulserna får inte bara vara ultrakorta, men mycket ljus, och fotonerna som levereras måste ha tillräckligt hög energi. Denna kombination av egenskaper har sökts i laboratorier runt om i världen under de senaste 15 åren. Fysiker vid Laboratory for Attosecond Physics (LAP), ett joint venture mellan Ludwig-Maximilians-Universität Munich (LMU) och Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), har nu lyckats uppfylla de förutsättningar som är nödvändiga för att uppnå detta mål. I sina senaste experiment, de har kunnat observera den icke-linjära interaktionen av en attosekundspuls med elektroner i ett av de inre orbitalskalen runt atomkärnan. I detta sammanhang, termen "icke-linjär" indikerar att interaktionen involverar mer än en foton (i detta speciella fall är två inblandade). Detta genombrott möjliggjordes av utvecklingen av en ny källa för attosekundpulser. En attosekund varar i exakt en miljarddels miljarddels sekund.

Dörren för att observera den ultrasnabba rörelsen av elektroner djupt inne i atomer har öppnats. Fysiker vid Laboratory for Attosecond Physics (LAP) vid LMU München har utvecklat en teknik som gör att de kan generera intensiva attosekundspulser. Dessa pulser kan användas för att följa elektronernas rörelse inom atomernas inre skal i realtid genom att frysa denna rörelse vid attosekunds slutartider.

Den experimentella procedur som används för att filma elektroner i rörelse använder sig av "pump-probe"-metoden. Elektroner inom en målatom exciteras först av en foton som finns i pumppulsen, som sedan efter en kort fördröjning följs av en andra foton i en sondpuls. Det senare avslöjar i huvudsak effekten av pumpfotonen. För att genomföra detta förfarande, fotonerna måste vara så tätt packade att en enda atom i målet kan träffas av två fotoner i följd. Dessutom, om dessa fotoner ska ha en chans att nå de inre elektronskalen, de måste ha energier i den övre änden av det extrema ultravioletta (XUV) spektrumet. Ingen forskargrupp har tidigare lyckats generera attosekundpulser med den erforderliga fotondensiteten i detta spektrala område.

Tekniken som nu har gjort denna bedrift möjlig är baserad på uppskalningen av konventionella källor för attosekundpulser. Ett team under ledning av professor Laszlo Veisz har utvecklat en ny högeffektlaser som kan sända ut skurar av infrarött ljus – var och en bestående av endast ett fåtal oscillationscykler – som innehåller 100 gånger så många fotoner per puls som i konventionella system. Dessa pulser, i tur och ordning, tillåta generering av isolerade attosekundspulser av XUV-ljus innehållande 100 gånger fler fotoner som i konventionella attosekundkällor.

I en första serie experiment, de högenergiska attosekundspulserna fokuserades på en ström av xenongas. Fotoner som råkar interagera med ett inre skal av en xenonatom skjuter ut elektroner från det skalet och joniserar atomen. Genom att använda det som kallas ett jonmikroskop för att upptäcka dessa joner, forskarna kunde, för första gången, att observera växelverkan mellan två fotoner inneslutna i en attosekundspuls med elektroner i en atoms inre orbitalskal. I tidigare attosecond-experiment, det har bara varit möjligt att observera interaktionen av elektroner i det inre skalet med en enda XUV-foton.

"Experiment där det är möjligt att ha elektroner i det inre skalet som interagerar med två XUV-attosekundspulser kallas ofta för attosekundens fysiks heliga gral. Med två XUV-pulser, vi skulle kunna "filma" elektronrörelsen i de inre atomskalen utan att störa deras dynamik, " säger Dr Boris Bergues, ledaren för den nya studien. Detta representerar ett betydande framsteg på attosecond-experiment som involverar excitation med en enda attosecond XUV-foton. I dessa experiment, det resulterande tillståndet "fotograferades" med en längre infraröd puls, som i sig hade ett betydande inflytande på den efterföljande elektronrörelsen.

"Elektrondynamiken i atomernas inre skal är av särskilt intresse, eftersom de är resultatet av ett komplext samspel mellan många elektroner som interagerar med varandra, " som Bergues förklarar. "Den detaljerade dynamiken som resulterar från dessa interaktioner väcker många frågor, som vi nu kan hantera experimentellt med vår nya attosecond-källa."

I nästa steg, fysikerna planerar ett experiment där de kommer att lösa interaktionen genom att dela upp den högintensiva attosekundpulsen i separata pump- och sondpulser.

Den framgångsrika tillämpningen av icke-linjär optik i attosekundens domän för att undersöka beteendet hos elektroner i atomernas inre orbitala skal öppnar dörren till en ny förståelse av subatomära partiklars komplexa multikroppsdynamik. Förmågan att filma elektronernas rörelse djupt i atomernas inre lovar att avslöja mycket om en mystisk värld som har förblivit dold.