Screenshot op Niklas Elmehed © Nobelprijs Outreach, CC BY-SA
De Nobelprijs voor natuurkunde van 2023 is toegekend aan een trio wetenschappers voor hun baanbrekende instrumenten om de wereld van elektronen te bestuderen.
Elektronen zijn sub-atomaire deeltjes die een rol spelen in veel verschijnselen die we dagelijks zien, van elektriciteit tot magnetisme. De drie Nobelprijswinnaars voor natuurkunde van dit jaar demonstreerden een manier om extreem korte lichtpulsen te creëren om processen te onderzoeken waarbij elektronen betrokken zijn.
Pierre Agostini van de Ohio State University in de VS, Ferenc Krausz van het Max Planck Institute of Quantum Optics in Duitsland en Anne L’Huillier van de Lund University in Zweden delen het prijzengeld van 11 miljoen Zweedse kronen (£822.910).
Veranderingen in elektronen vinden meestal plaats in een paar tienden van een “attoseconde”, dat is een miljardste van een miljardste seconde. Om zulke korte gebeurtenissen te bestuderen was speciale technologie nodig.
De laureaten ontwikkelden experimentele methoden die lichtpulsen produceerden die zo kort waren dat ze gemeten werden in attoseconden. Deze konden vervolgens worden gebruikt om de vluchtige dynamica van elektronen in fysieke materie te bestuderen – iets wat voorheen niet mogelijk was.
De attoseconde pulsen, de kortste lichtflitsen ooit geproduceerd, ontketenden een revolutie in de fotonica – de wetenschap van lichtgolven. Ze werden gebruikt om momentopnames te maken van elektronen in verschillende fysische systemen, zoals in atomen, chirale moleculen – moleculen die elkaars spiegelbeeld zijn – en hele kleine nanodeeltjes.
De laureaten hebben allemaal bijgedragen aan het onderzoeken van dergelijke processen. Voor het eerst stelden deze snelle pulsen wetenschappers in staat om de tijdschaal van hun waarnemingen af te stemmen op de natuurlijke, zeer snelle tijdschalen waarop elektronendynamica zich voordeed.
Deze prestatie vereiste aanzienlijke innovaties in laserwetenschap en -techniek – innovaties waar de Nobelprijswinnaars van dit jaar tientallen jaren aan hebben gewerkt.
Anne L´Huiller, Universiteit van Lund.
wikipedia, CC BY-SA
L’Huillier ontdekte een nieuw effect dat ontstond als gevolg van interacties tussen laserlicht en atomen in een gas. Deze interactie kon worden gebruikt om pulsen ultraviolet licht te produceren die elk een paar honderd attoseconden lang waren.
Agostini en Krausz gingen nog een stap verder met deze ontdekking. In 2001 was Agostini in staat om korte lichtpulsen te produceren en de breedte ervan te meten. De reeks uitbarstingen die geproduceerd werd met behulp van de RABBIT-techniek duurde slechts 250 attoseconden.
Ferenc Krausz.
wikipedia, CC BY-SA
Rond dezelfde tijd ontwikkelde Krausz een andere experimentele benadering, waarmee hij met succes een lichtpuls kon isoleren die 650 attoseconden duurde.
De twee benaderingen ontwikkeld door Agostini en Krausz vormen de basis voor veel attoseconde onderzoek dat vandaag de dag wordt uitgevoerd.
Spannende toepassingen
Er zijn enkele opwindende potentiële toepassingen voor deze attoseconde pulsen.
Ze zouden gebruikt kunnen worden om tot nu toe onbekende fysische verschijnselen in verschillende materiaalsoorten te bestuderen.
Een spin-off gebied dat bekend staat als ultrasnel schakelen zou op een dag ook kunnen leiden tot de ontwikkeling van zeer snel werkende elektronica.
Attoseconde puls wetenschap zou ook toepassingen kunnen vinden in de medische diagnostiek. Door een bloedmonster bloot te stellen aan een zeer snelle lichtpuls, kunnen wetenschappers minuscule veranderingen in de moleculen in dat monster detecteren. Dit zou kunnen leiden tot een nieuwe manier om aandoeningen te diagnosticeren, waaronder kanker.
Ons team bij King’s heeft gewerkt aan het combineren van de resolutie van fysische processen die attoseconde pulsen mogelijk maken met nieuwe ontwikkelingen op het gebied van kwantuminformatieverwerking. Dit zou pulsen van kwantumlicht op de tijdschaal van een attoseconde kunnen creëren die toepassingen zouden kunnen hebben in kwantumcomputing.
De toekenning van de Nobelprijs op dit gebied inspireert ons om onze inspanningen om nieuwe wegen in te slaan te verdubbelen. We wensen onze collega’s blijvend succes en we zijn benieuwd waar ze ons de volgende keer mee zullen verrassen.
Amelle Zaïr ontvangt financiering van EPSRC, STFC XFEL hub en The Royal Society.
