Kemiska reaktioner bestäms på sin mest grundläggande nivå av deras respektive elektroniska struktur och dynamik. Styrs av en stimulans som ljusbestrålning, elektroner ordnar om sig i vätskor eller fasta ämnen. Denna process tar bara några hundra attosekunder, varvid en attosekund är miljarddelsdelen av miljarddels sekunden. Elektroner är känsliga för yttre fält, så forskare kan enkelt kontrollera dem genom att bestråla elektronerna med ljuspulser. Så snart de således temporärt formar det elektriska fältet för en attosekundspuls, forskare kan kontrollera den elektroniska dynamiken i realtid. Ett team under ledning av prof. Dr. Giuseppe Sansone från Institutet för fysik vid universitetet i Freiburg visar i den vetenskapliga tidskriften Nature hur de helt kunde forma vågformen av en attosekundspuls.

"Dessa pulser gör det möjligt för oss att studera det första ögonblicket av det elektroniska svaret i en molekyl eller kristall, " förklarar Sansone. "Med förmågan att forma det elektriska fältet gör det möjligt för oss att kontrollera elektroniska rörelser - med det långsiktiga målet att optimera grundläggande processer som fotosyntes eller laddningsseparation i material."

Laget, bestående av teoretiker och experimentella fysiker från forskningsinstitut i USA, Ryssland, Tyskland, Italien, Österrike, Slovenien, Ungern, Japan och Sverige, genomförde sitt experiment vid Free-Electron Laser (FEL) FERMI i Trieste/Italien. Denna laser är den enda som erbjuder den unika förmågan att syntetisera strålning med olika våglängder i det extrema ultravioletta spektralområdet med fullt kontrollerbara relativa faser.

Attosekundens puls är resultatet av den tidsmässiga överlappningen av laserövertoner. Forskarna genererade grupper om fyra laserövertoner med en grundläggande våglängd med hjälp av de undulatorer som finns tillgängliga på FERMI. Dessa är tekniska anordningar, som styr rörelsen hos ett relativistiskt elektrongäng, vilket leder till produktion av ultraviolett strålning. En av de största utmaningarna med experimentet var mätningen av dessa relativa faser, som kännetecknades av att förvärva de fotoelektroner som frigörs från neonatomer genom kombinationen av attosekundens pulser och ett infrarött fält. Detta leder till ytterligare strukturer i elektronspektra, brukar kallas sidband. Forskarna mätte korrelationen mellan de olika sidbanden som genererades för varje laserskott. Detta gjorde det slutligen möjligt för dem att helt karakterisera attosecond-pulståget.

"Våra resultat indikerar inte bara att FELs kan producera attosekundspulser, säger Sansone, "men, på grund av tillvägagångssättet som implementerats för vågformsgenereringen, sådana pulser är helt kontrollerbara och uppnår höga toppintensiteter. Dessa två aspekter representerar viktiga fördelar med vårt tillvägagångssätt. Resultaten kommer också att påverka planeringen och designen av nya Free-Electron Lasers över hela världen."