Undersøg detaljer detaljerede sidste gennembrud af sen Nebraska -fysiker

En internationalt kendt karriere, der begyndte i New York City og Chicago og London, før han tog ham, endelig og for godt, til Lincoln, ville ende på sjette sal på Bryan Medical Center's East Campus.

Bare dage tidligere, afdøde Anthony Starace, hvis banebrydende forskning inden for ultrahurtig laserfysik gav ham rang som George Holmes University Professor ved University of Nebraska – Lincoln, havde fået besked om, at en af ​​hans yndlingsblade, Fysisk gennemgangsbreve , ville udgive en anden af ​​hans papirer.

Kort efter meddelelsen, Starace begyndte at opleve brystsmerter relateret til den pludselige begyndelse af pancreatitis, der ville tage hans liv den 5. september.

Men ikke før han var færdig.

Tidsskriftets udgiver havde bedt Starace om at skrive et sammendrag på én side af undersøgelsens fund og betydning. Han havde gjort det mange gange. Men aldrig fra en hospitals seng, mellem besøg fra hans familie og de kolleger, der kendte ham som en ven, og, efter 46 år i Nebraska, en virtuel institution for sig selv.

Hans medforfatter og protegé i ni år, Jean Marcel Ngoko Djiokap, oprindeligt opfordrede Starace til at glemme resuméet. Alligevel kendte Ngoko Djiokap sin mentor godt nok til at vide bedre.

"Selv når du er syg, du tænker ikke på din egen tilstand, "sagde han om Staraces tankegang." Du er altid klar til at give og give, at forsyne. Jeg tror, ​​det fortæller dig præcis, hvem Tony var. "

Så, sammen, Starace og Ngoko Djiokap komponerede resuméet - et, der beskriver de sidste gennembrud for en akademisk kæmpe, der steg frem ved at undersøge det uendelige.

Eyeblink som evighed

Omkring årtusindskiftet, Starace dykkede ind i det nye område inden for attosekundvidenskab:slående atomer og molekyler med intense laserpulser, der varer i en ufattelig kort tid. Hvor utænkeligt? Antallet af attosekunder, der går inden for et sekund, svarer til antallet af sekunder, der går inden for 31 milliarder år - mere end det dobbelte af universets estimerede alder.

Ved at studere hvordan disse flygtige laserpulser interagerer med atomer og molekyler, Starace og andre har kigget ind i det engang uigennemtrængelige:måderne, hvorpå elektroner forlader deres kredsløb omkring atomer, når de rammes af lys, for eksempel. Den viden, på tur, har hjulpet andre fysikere med bedre at forstå reglerne for den atomare eller molekylære dynamik, de opdager - og endda kontrollere den adfærd.

"Når tingene sker på så hurtige tidsskalaer, eksperimentelle ved ikke altid, hvad de har opnået, "Starace sagde i 2014." De kan ikke 'se', hvordan elektroner foretager atom- og molekylære overgange. Så de har brug for midler til at fastslå, "Hvordan gjorde vi det?" eller, "Hvad havde vi der?"

Starace og Ngoko Djiokap havde brugt de sidste par år på at studere et fænomen kaldet dikroisme - specifikt, hvordan egenskaberne ved en laserpuls ændrer, hvordan dens energi absorberes og sandsynligheden for, at den vil skubbe elektroner ud fra atomer og molekyler. Men dette var ingen seks-sidet dør af sandsynlighed; den havde så mange facetter, med så mange ikke -lineære kanter, at Starace og Ngoko Djiokap kun kunne begynde at beregne sandsynlighederne med supercomputere og kvantemekanik.

Blandt disse sandsynlighedsforskydende egenskaber var orienteringen og opførslen af ​​det elektriske felt, der omgiver en laserstråle. I nogle tilfælde, det elektriske felt strækker sig kun lodret eller vandret fra strålen. I andre, det elektriske felt roterer omkring strålen som en propel. Når det gør, den kan rotere enten med eller mod uret og kan spore stien til enten en cirkel eller en ellipse.

Tilbage i 2014, mens laserpulser affyres mod et heliumatom, teamet opdagede, at en elliptisk vejs rotation med uret mod uret kunne påvirke atomvinklen for atomets to elektroner. På siderne i Physical Review Letters, duoen introducerede ligninger for at karakterisere denne indflydelse. Laserimpulser, forklarede de, havde stimuleret elektronresponser forbundet med at absorbere både en vs to partikler, eller fotoner, af lys, med indblandingen mellem disse dynamikker-og forsvinden af ​​en-fotoneffekterne-der driver den usædvanlige dikroisme.

Dette år, Starace og Ngoko Djiokap gennemførte en lignende undersøgelse, men flyttede deres opmærksomhed fra et atom til et molekyle:to bundne hydrogenatomer, der deler to elektroner. Når der affyres en én-foton laserpuls parallelt med dihydrogenmolekylets akse, de fandt ud af, at virkningerne af uret mod uret rotation på elektronernes lancering kunne beskrives ved de samme ligninger, som de udledte for et heliumatom.

Når molekylet drejes en smule, selvom, de spionerede yderligere faktorer - en ny form for dikroisme - der kun opstår i visse molekyler. I deres bestræbelser på bedre at forstå de nyfundne faktorer, Starace og Ngoko Djiokap opdagede, hvordan man orienterer laserpulsen og molekylæraksen-og hvordan man opdager elektronerne-så de atomlignende dikroismevariabler, de afslørede i 2014, forsvandt. Det tillod dem at isolere og måle netop de molekylspecifikke påvirkninger, herunder hvordan forskydninger i energien og kredsløbet for en laser-eksiteret elektron kan interagere med dem fra den anden elektron, der deler dens molekyle.

"De udvalgte regler, vi fandt, er meget følsomme over for molekylets orientering, "sagde Ngoko Djiokap, forskningsassistent i fysik og astronomi. "Så vi ser denne nye korrelerede molekylære effekt som et værktøj til (måling) molekylær justering. Det er meget vigtigt for ultrahurtig molekylær billeddannelse."

Starace og Ngoko Djiokap fandt endda ud af, at de kunne kontrollere nogle af de molekylspecifikke reaktioner ved at justere den elliptiske vej for laserens elektriske felt. Evnen til at forudsige og måle disse svar kunne effektivt fungere som en diagnostik for laserne selv, Sagde Ngoko Djiokap.

Kombineret med den tidligere undersøgelse, de nye fund kan også informere fremtidige bestræbelser på bedre at identificere en særlig vigtig egenskab ved molekyler, Sagde Ngoko Djiokap. Både et heliumatom og et dihydrogenmolekyle er ikke-chirale, hvilket betyder, at deres spejlbilleder ser identiske ud med originalerne. Derimod, chirale molekyler kan have to former, der, som højre og venstre hånd, er strukturelt identiske, men kan skelnes fra deres spejlede modstykker.

Og ligesom de fleste mennesker betragter handsness som en vigtig sondring - at have meget større koordination med det ene end det andet - kan chirale molekylers hænder have massive konsekvenser. Mens et venstrehåndet molekyle kan hjælpe med at lindre en sygdom, dens højre hånd kan udløse en.

Fordi kun ikke-chirale molekyler udviser nogle af de elektronudstødende signaturer, som Starace, Ngoko Djiokap og deres internationale kolleger opdagede, disse underskrifter kan hjælpe forskere eller andre med at bekræfte, hvilken klasse molekyle de arbejder med.

"Jeg skal gøre det for ham"

Siden Starace gik bort, Institut for Fysik og Astronomi har bedt Ngoko Djiokap om at tage lederskab for de fleste af hans mentors forskningsprojekter.

Ngoko Djiokap arbejder nu fra det kontor, som Starace kaldte sit eget, tidsskrifterne og bøgerne stablet højt, da Ngoko Djiokap tager plads bag skrivebordet, som han ofte sad overfor, mens han mødtes med Starace.

I afstanden mellem de to sæder, kun fire fod, ligger byrden af ​​forventning og arv. Staraces egen mentor, Ugo Fano, engang forsket under Nobelprisvindere Enrico Fermi og Werner Heisenberg.

"Det er et stort pres, "Ngoko Djiokap indrømmer." Men jeg tror, ​​jeg skal gøre det for ham, for hvad han repræsenterer for mig. Han var den bedste mentor, jeg nogensinde har haft, den måde, han tog sig af ikke kun mig, men hele sin gruppe. "

Ngoko Djiokap kom til Nebraska fra Belgien kun tre dage efter at have forsvaret sin afhandling ved Universite catholique de Louvain. Han husker datoen:4. februar kl. 2010. Han havde aldrig været i Nebraska, kendte Starace kun fra et videokonferenceinterview og de mange forskningsartikler, han havde gennemgået i løbet af sin unge karriere.

"Han tog mig ind som sin søn, "Siger Ngoko Djiokap." Derfor er jeg stadig nødt til at klare sorgprocessen. Det kommer til at tage tid, men jeg ved, hvem han var. "

Ngoko Djiokap fortæller om, hvordan Starace inviterede ham til sit hjem til julemiddage, om hvordan hans sind øjeblikkeligt kunne huske et godt måltid indtaget på en restaurant 10 år tidligere, af, hvordan han spillede squash med den samme entusiasme og engagement, som han bragte til fysikken.

Han tænker højt over en fremtid, hvor en pensioneret Starace ville have accepteret de gæstfrihedsbevægelser, som hans mentor så ofte skænkede.

"Min eneste beklagelse er, at han aldrig vil se mig gøre dette, fordi jeg tror, ​​det var det, han ville - den ene dag, Jeg ville invitere ham til mit hjem og se, hvordan jeg driver min egen forskergruppe, " han siger.

Og han beskriver balancen mellem empati og autoritet, af præcision og fordomsfrihed, der skaffede Starace beundring hos dem, der arbejdede med og kendte ham. Hvis Ngoko Djiokap kan efterligne det, han siger, måske viser han sig værdig til Staraces arv.

Men det arbejde forbliver ufærdigt.

”Jeg er nødt til at indtage førersædet og arbejde hårdt og levere, så han kan være stolt af mig. "