Atomer är sammansatta av elektroner som rör sig runt en central kärna till vilken de är bundna. Elektronerna kan också slitas bort via laserns kraftfulla elektriska fält, övervinna den begränsande kraften i deras kärna. För ett halvt sekel sedan, teoretikern Walter Henneberger undrade om det var möjligt att använda ett laserfält för att befria en elektron från dess atom utan att ta bort den från kärnan. Många forskare ansåg att det var omöjligt. Dock, det har nu framgångsrikt bekräftats av fysiker från universitetet i Genève (UNIGE), Schweiz, och Max Born Institute (MBI) i Berlin, Tyskland.

För första gången, forskare kontrollerade formen på laserpulsen för att hålla en elektron både fri och bunden till dess kärna, och kunde samtidigt reglera atomens elektroniska struktur. Vad mer, de fick också dessa ovanliga tillstånd att förstärka laserljus och identifierade ett no-go-område. I detta område, smeknamnet "Death Valley, " fysikerna förlorade all sin makt över elektronen. Dessa resultat krossar de vanliga begreppen relaterade till jonisering av materia. Resultaten har publicerats i tidskriften Naturfysik .

Hennebergers hypotes föreslog att om en elektron skulle fångas i lasern, den skulle tvingas passera fram och tillbaka framför sin kärna, och skulle därmed exponeras för det elektriska fältet hos både lasern och kärnan. Detta dubbla tillstånd skulle göra det möjligt att kontrollera rörelsen hos elektroner som exponeras för båda elektriska fälten, och skulle låta fysikerna skapa atomer med en ny elektronisk struktur som kan avstämmas med ljus.

Utnyttja elektronens naturliga svängningar

Ju mer intensiv en laser är, desto lättare borde det vara att jonisera atomen – med andra ord, att slita bort elektronerna från det attraherande elektriska fältet i deras kärna och frigöra dem i rymden. "Men när atomen är joniserad, elektronerna lämnar inte bara sin atom som ett tåg lämnar en station – de känner fortfarande laserns elektriska fält, " förklarar Jean-Pierre Wolf, en professor vid avdelningen för tillämpad fysik vid UNIGEs naturvetenskapliga fakultet. "Vi ville därför veta om, efter att elektronerna är befriade från sina atomer, det är fortfarande möjligt att fånga dem i lasern och tvinga dem att stanna nära kärnan, som Walter Hennebergers hypotes antyder, " han lägger till.

Det enda sättet att göra detta är att hitta rätt form för laserpulsen för att påtvinga oscillationer på elektronen som är exakt identiska, så att dess energi och tillstånd förblir stabila. "Elektronen oscillerar naturligt i laserns fält, men om laserintensiteten ändras, dessa svängningar förändras också, och detta tvingar elektronen att ändra sin energinivå och därmed dess tillstånd, till och med lämna atomen. Det är detta som gör det så svårt att se sådana ovanliga tillstånd, " tillägger Misha Ivanov, en professor vid den teoretiska institutionen för MBI i Berlin.

Fysikerna testade olika laserintensiteter så att elektronen som befriades från atomen skulle ha stadiga svängningar. De gjorde en överraskande upptäckt. "Tvärtemot naturliga förväntningar som tyder på att ju mer intensiv en laser är, ju lättare det frigör elektronen, vi upptäckte att det finns en gräns för intensiteten, där vi inte längre kan jonisera atomen, " konstaterar Misha Ivanov. "Bortom denna tröskel, vi kan kontrollera elektronen igen." Forskarna kallade denna gräns "Death Valley, " efter förslag från professor Joe Eberly från University of Rochester.

Bekräftelse av en gammal hypotes om att revolutionera fysikteorin

Genom att placera elektronen i ett dubbelt tillstånd som varken är fri eller bunden, forskarna hittade ett sätt att manipulera dessa svängningar som de vill. Detta gör det möjligt för dem att arbeta direkt på atomens elektroniska struktur. Efter flera justeringar, fysikerna kunde befria elektronen från dess kärna och sedan fånga den i laserns elektriska fält, som Walter Henneberger föreslog. "Genom att applicera en intensitet på 100 biljoner watt per cm ² , vi kunde gå bortom Death Valley-tröskeln och fånga elektronen nära sin moderatom i en cykel av regelbundna svängningar inom laserns elektriska fält, " säger Jean-Pierre Wolf. Som en jämförelse, solens intensitet på jorden är cirka 100 watt per m ² .

"Detta ger oss möjlighet att skapa nya atomer klädda av laserfältet, med nya elektronenerginivåer, " förklarar Jean-Pierre Wolf. "Vi trodde tidigare att detta dubbla tillstånd var omöjligt att skapa, och vi har precis bevisat motsatsen. Dessutom, vi upptäckte att elektroner placerade i sådana tillstånd kan förstärka ljus. Detta kommer att spela en grundläggande roll i teorierna och förutsägelserna om spridningen av intensiva lasrar i gaser, som luft, " avslutar han.