Ett team som leds av prof. Dr. Frank Stienkemeier och Dr. Lukas Bruder från Institutet för fysik vid universitetet i Freiburg har lyckats observera i realtid ultrasnabba kvantinterferenser – med andra ord svängningsmönstren – hos elektroner som finns i ädelgasatomernas atomskal. De lyckades observera svängningar med en period av cirka 150 attosekunder – en attosekunde är en miljarddels miljarddels sekund. För detta ändamål, forskarna exciterade ädelgasatomer med speciellt förberedda laserpulser. Sedan spårade de atomernas svar med en ny mätteknik som gjorde det möjligt för dem att studera kvantmekaniska effekter i atomer och molekyler med extremt hög tidsupplösning. Forskarna presenterar sina resultat i den senaste upplagan av Naturkommunikation .

Många kemiska reaktioner, såsom brytning av bindningar i molekyler, utlöses av absorption av ljus. I det första ögonblicket efter absorptionen, fördelningen av elektronerna i atomskalet förändras, avsevärt påverkar det efterföljande reaktionsförloppet. Denna förändring sker extremt snabbt; tidsskalorna når in i attosekundens intervall. Tidigare använda spektroskopiska teknologier, som använder synliga laserpulser, är inte tillräckligt snabba för att spåra sådana processer. Så forskare runt om i världen utvecklar för närvarande innovativa laserkällor och adekvat spektroskopisk teknik inom ultraviolett och röntgenområdet.

Stienkemeiers team har utökat en teknik känd från det synliga spektrumet, koherent pump-probe spektroskopi, in i det ultravioletta området. Detta är spektralområdet mellan röntgenstrålning och ultraviolett ljus. Att göra detta, forskarna förberedde en sekvens av två ultrakorta laserpulser i det extrema ultravioletta området vid FERMI-frielektronlasern i Trieste, Italien. Pulserna separerades med ett exakt definierat tidsintervall och hade ett exakt definierat fasförhållande till varandra. Den första pulsen startar processen i elektronskalet (pumpprocessen). Den andra pulsen undersöker statusen för elektronskalet vid en senare punkt (probprocess). Genom att ändra tidsintervallet och fasförhållandet, forskarna kunde dra slutsatser om den tidsmässiga utvecklingen i elektronskalet. "Den största utmaningen var att uppnå exakt kontroll över pulsegenskaperna och att isolera de svaga signalerna, " förklarar Andreas Wituschek, som var ansvarig för experimentförfarandet.

Freiburgs fysiker studerade ädelgasen argon, bland andra. I argon orsakar pumppulsen en speciell konfiguration av två elektroner i atomskalet:denna konfiguration sönderfaller, med en elektron som lämnar atomen på mycket kort tid och atomen slutligen kvar som en jon. Forskarna lyckades för första gången observera det omedelbara tidsmässiga förfallet av kvantinterferensen, som en elektron lämnade atomen. "Detta experiment banar väg för många nya tillämpningar i studien av atomära och molekylära processer efter selektiv stimulering med högenergistrålning i det extrema ultravioletta området, säger Bruder.