Lysets bølgenatur i super-slowmotion

Fysikere ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) og Friedrich Schiller University Jena (FSU) har opnået et kvantespring inden for lysforskning. De har formået at fange adfærden af ​​ekstremt korte laserimpulser under fokusering ved hjælp af meget høj rumlig og tidsmæssig opløsning. Resultaterne er af grundlæggende relevans for forståelsen af ​​samspillet mellem lys og stof og vil gøre det muligt at kontrollere elektronbevægelser og kemiske reaktioner i et omfang, som tidligere ikke var muligt. Denne indsigt i fundamental fysik vil især gavne yderligere forskning i nye strålingskilder og inden for lysbølgeelektronik. Forskerne har for nylig offentliggjort deres resultater i det førende fagtidsskrift Naturfysik .

Ultrakorte lysimpulser med et så bredt optisk spektrum, at strålerne ser hvide ud, er almindeligt anvendt i dag. De bruges blandt andet til at undersøge øjets nethinde, mens de i fysik bruges til at styre processer på atomniveau og analysere dem i slowmotion. I næsten alle disse applikationer, de hvide laserimpulser skal fokuseres. Da det er lysbølgens specifikke form, der bestemmer, hvordan elektroner, for eksempel, vil bevæge sig inden i det, det er vigtigt at vide, hvordan den fokuserede laserstråle faktisk ser ud i detaljer.

For bedre at forstå hvorfor, tænk på et skib i stormfuldt hav. Styrmanden skal ikke kun vide, hvor høje og lange bølgerne er, men skal også holde øje med indkommende bølger for at vide, hvornår de rammer skibet for at finde en sikker vej op til bølgetoppen på den ene side og ned på den anden. På samme måde, det er vigtigt for forskere at vide, hvordan og hvor maksimum af en lysbølge vil ramme elektroner i et forsøg eller en applikation for at have en målrettet indflydelse på dem. Ændringerne til og udbredelsen af ​​lysbølger i et elektrisk felt finder sted på en tidsskala på nogle få hundrede attosekunder – med andre ord, inden for en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund. Indtil for nylig, det var ikke muligt at måle den nøjagtige fordeling af bølgedalene og toppene i en laserstråles fokus på denne tidsskala.

Det har forskerne i Erlangen og Jena nu opnået ved at fokusere laserimpulser på en nanometerskarp metalspids, får spidsen til at udsende elektroner. Disse elektroner fungerer som en slags sensor, der gør forskerne i stand til at fortolke lysbølgens nøjagtige form.

Ser lys rejse

For næsten 130 år siden, den franske fysiker Louis Georges Gouy (1854-1926) observerede og beskrev et faseskift, der opstod under fokuseringen af ​​monokromatisk lys, når interferens blev introduceret. Denne effekt blev opkaldt 'Gouy-fasen' efter dens opdager, og i lang tid blev det antaget, at effekten ville være den samme i tilfælde af hvide laserspektre, som består af mange lysfarver. Resultaterne opnået i det fælles projekt har bidraget til vores forståelse af effekten, så selv når det kommer til korte lysimpulser – og for at blive ved metaforen for øjeblikket – vil ingen kaptajn blive overrasket af uventede bølger i fremtiden.