22 sep. 2009
2 minuten
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF, in samenwerking met groepen uit Milaan (Italië), Lund (Zweden) en Parijs (Frankrijk), hebben laserpulsen met een duur van slechts enkele honderden attoseconden gebruikt om vibraties in het snelst vibrerende molecuul, waterstof, waar te nemen en te bestuderen.
Door gebruik te maken van deze extreem korte pulsen (een attoseconde is één miljardste van een miljardste van een seconde) kan zeer nauwkeurig worden bestudeerd hoe een tweede laserveld de vibraties beïnvloed. De experimenten laten zien hoe een intense laser de uitkomst van een chemisch proces kan sturen, gebruikmakend van de pulskarakteristieken van de laser. Tegelijkertijd is dat een waarschuwing voor onderzoekers die intense laservelden gebruiken om de structuur en dynamica van moleculaire systemen te bestuderen, aangezien de laser de resultaten dus kan beïnvloeden. De resultaten zijn gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Physical Review Letters.
Twee kanten
In het experiment worden attoseconde pulsen gebruikt om een vibratie te starten om vervolgens het vibrerend molecuul aan een tweede laserveld bloot te stellen. Een vibrerend molecuul in een sterk laserveld gedraagt zich anders dan gebruikelijk: de vibraties zijn trager en hebben minder energie. Door de eigenschappen en de vertraging van het tweede laserveld te variëren wordt duidelijk hoe en hoe snel het molecuul zich aanpast aan het laserveld. De onderzoekers tonen aan dat de intense laser twee kanten kent. Enerzijds stelt de intense laser de onderzoekers in staat om de wijze waarop het molecuul onder invloed van het laserveld uit elkaar valt te onderzoeken, anderzijds volgt hieruit ook de boodschap dat moleculen in sterke stralingsvelden zich anders gedragen dan ze buiten een laserveld in de vrije natuur doen.
Attoseconde lasers
De kortst mogelijke pulsduur van een laserveld is alsmaar korter geworden sinds de eerste laserpulsen gemaakt werden. Het huidige wereldrecord betreft pulsen van slechts 80 attoseconde (10-18 s) lang. Hoge harmonische generatie maakt het mogelijk om zulke korte pulsen te maken. Dit is een proces waarbij de frequentie van de laserpulsen vele malen wordt verveelvoudigd, en dus de bijbehorende golflengte wordt ingekort.
Onderzoekers gebruiken deze pulsen vervolgens om processen te bekijken die zo snel zijn dat langere pulsen dit niet meer ‘scherp’ vast kunnen leggen. Vaak zijn dit processen waarbij elektronenbewegingen een rol spelen. De eerste prototype experimenten zijn inmiddels uitgevoerd in atomen en aan oppervlakken. In dit geval laten Kelkensberg en zijn collega’s zien dat attoseconde pulsen ook bijzonder geschikt zijn om de vibraties van het snelste molecuul dat er bestaat te bestuderen: waterstof.
Het experimentele onderzoek is een Europees samenwerkingsverband tussen het FOM-instituut AMOLF, Lund University in Zweden en de Politecnico Milano in Italië in het kader van een door de EU gesubsidieerd trainingsprogramma waarin jonge onderzoekers worden opgeleid. Het onderzoek is medegefinancierd door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).
Referentie
Molecular Dissociative Ionization and Wave-Packet Dynamics Studied Using Two-Color XUV and IR Pump-Probe Spectroscopy, F. Kelkensberg et. al., Phys. Rev. Lett. 103, 123005 (2009)