Observere og kontrollere ultrahurtige processer med attosecond opløsning

Mange kemiske processer går så hurtigt, at de kun er nogenlunde forstået. For at afklare disse processer, et hold fra Münchens Tekniske Universitet (TUM) har nu udviklet en metodik med en opløsning på kvintilliontedele af et sekund. Den nye teknologi kan øge forståelsen af ​​processer som fotosyntese og bidrage til udviklingen af ​​hurtigere computerchips.

Et vigtigt mellemtrin i mange kemiske processer er ionisering. Et typisk eksempel på dette er fotosyntese. Reaktionerne tager kun et par femtosekunder (kvadrilliontedele af et sekund), eller endda et par hundrede attosekunder (kvintilliontedele af et sekund). Fordi de løber så ekstremt hurtigt, kun de oprindelige og endelige produkter kendes, men ikke reaktionsvejene eller mellemprodukterne.

For at observere sådanne ultrahurtige processer, videnskaben har brug for en måleteknologi, der er hurtigere end selve den observerede proces. Såkaldt "pumpe-probe spektroskopi" gør dette muligt. Her, prøven exciteres ved hjælp af en indledende laserpuls, som sætter reaktionen i gang. Et sekund, tidsforsinket puls forespørger om den øjeblikkelige tilstand af processen. Flere gentagelser af reaktionen med forskellige tidsforsinkelser resulterer i individuelle stop-motion billeder, som så kan samles til et filmklip.

Nu, et team af forskere ledet af Birgitta Bernhardt ved TU München har kombineret to pumpe-probe spektroskopiteknikker ved hjælp af den inerte gas krypton. Dette gjorde det muligt for dem at visualisere de ultrahurtige ioniseringsprocesser med en præcision, som tidligere var umulig.

"Før vores eksperiment, man kunne enten observere hvilken del af det spændende lys, der blev absorberet af prøven over tid eller måle, hvilken slags og hvor mange ioner der blev skabt i processen, " forklarer Bernhardt. "Vi har nu kombineret de to teknikker, som giver os mulighed for at observere de præcise trin, hvorved ioniseringen finder sted, hvor længe disse mellemprodukter eksisterer, og hvad præcis den spændende laserpuls forårsager i prøven."

Ultrahurtige processer under kontrol

Kombinationen af ​​de to måleteknikker gør det muligt for forskerne at registrere de ultrahurtige ioniseringsprocesser og, takket være variationen i intensiteten af ​​den anden sonderende laserimpuls, de kan også kontrollere og påvirke ioniseringsdynamikken.

"Denne form for kontrol er et meget kraftfuldt instrument, " forklarer Bernhardt. "Hvis vi præcist kan forstå og endda påvirke hurtige ioniseringsprocesser, vi er i stand til at lære meget om lysdrevne processer som fotosyntese - især om de første øjeblikke, hvor dette komplekse maskineri sættes i gang, og som ikke var forstået til dato."

Teknologien udviklet af Bernhardt og hendes kolleger er også interessant for udviklingen af ​​nye, hurtigere computerchips, hvor ioniseringen af ​​silicium spiller en væsentlig rolle. Hvis siliciums ioniseringstilstande ikke kun kan udtages på så kort en tidsskala, men kan også indstilles – som de første eksperimenter med krypton antyder – vil videnskabsmænd måske en dag kunne bruge dette til at udvikle nye og endnu hurtigere computerteknologier.