Een eerste blik op elektronen die ontsnappen aan een atoom

In het klassieke model draaien elektronen op schillen rond de kern van een atoom. Als ze echter genoeg energie hebben, kunnen elektronen ontsnappen aan een atoom en vrije elektronen worden. Dat gaat zo snel dat het nog nooit direct was waargenomen, maar daar hebben Amerikaanse onderzoekers nu verandering in gebracht.

Dat deden ze door een bundel laserlicht op een gas te richten. Het laserlicht gaf een aantal elektronen die gebonden waren aan gasatomen, genoeg energie om zich razendsnel aan de aantrekkingskracht van de atoomkern te onttrekken. Met behulp van de laser konden de onderzoekers een soort "snapshots" maken van het proces, en konden ze volgen hoe de unieke impuls van elk elektron, de snelheid en richting, veranderde gedurende de ongelooflijk korte tijd waarin de elektronen ontsnappen aan hun atoom en een vrij elektron worden.

Een onmiddellijke consequentie daarvan is dat de onderzoekers nu het kwantummechanisch gedrag van elektronen van verschillende atomen kunnen klassificeren, zo zei projectleider Louis DiMauro. DiMauro is professor fysica aan de Ohio State University. "We kunnen nu kijken naar een elektron en zijn vroege geschiedenis ontcijferen. We kunnen vragen welk verschil het maakt als het bijvoorbeeld van een heliumatoom kwam of van een neonatoom", zo zei hij op de website van Ohio State University.

Het uiteindelijke doel van de onderzoekers is echter om de kwantummechanische systemen - die betrekking hebben op de ultra-kleine wereld - in kaart te brengen op een veel grotere schaal, zodat ze eventueel de bewegingen van subatomaire deeltjes kunnen sturen binnen in een molecule.

"Als je elk snapshot dat we nemen, bekijkt als een beeld in een film, zouden we misschien op een dag de film kunnen stopzetten bij een bepaald beeld, en veranderen wat er vervolgens gebeurt - door bijvoorbeeld een elektron met licht een zetje te geven en zijn richting te veranderen. Het zou zijn alsof we in een chemische reactie binnengaan, en de reactie op een andere manier laten verlopen dan ze normaal gezien zou lopen", zo zei DiMauro. 

Het klassieke atoommodel van Bohr waarbij op de binnenste schil van een atoom maximum twee elektronen kunnen zitten, en op de tweede en derde maximum acht. 

In essentie hebben DiMauro en zijn team bewezen dat een beproefde laboratoriumtechniek voor het bestuderen van vrije elektronen, ook gebruikt kan worden om elektronen te bestuderen die nog niet geheel vrij zijn, maar nog in het proces zitten van het verlaten van het atoom. 

Elektronen gedragen zich verschillend als ze de aantrekkingskracht voelen van de atoomkern en de aftstoting door naburige elektronen, en hoe verder ze zich van een atoom verwijderen, hoe zwakker die krachten worden. Hoewel het ontsnappen aan een atoom minder dan een femtoseconde duurt - een biljardste deel van een seconde -, toont de studie van het team dat de impuls van een elektron onderweg vele keren verandert, naargelang het elektron het contact verliest met individuele delen van het atoom. Die veranderingen vinden plaats op een schaal van attoseconden - een duizendste van een femtoseconde, een triljoenste van een seconde.

De tekening illustreert het pad van pakketjes lichtgolven (de blauwe stippellijn, gaande van rechts naar links) die een atoom raken (de witte bol met een groene kern), waarbij een elektron vrijkomt (paarse stippellijn, gaande van links naar rechts). Het rode laserlicht onderaan vangt de informatie op over de impuls van het elektron, de snelheid en beweegrichting, zodat de onderzoekers die kunnen bekijken. 

De laboratoriumtechniek die de onderzoekers gebruikt hebben, heet RABBITT (Reconstruction of Attosecond Beating By Interfering Two-photon Transitions), en ze houdt in dat men de atomen in een gas met licht bestookt om kwantummechanisme informatie bloot te leggen. De techniek bestaat al zo'n 15 jaar, en is een standaardprocedure geworden om processen te bestuderen die plaatsvinden in zeer korte tijdschalen. 

Niet alle kwantummechanische informatie die afkomstig is van RABBITT is echter bruikbaar, of dat dacht men tenminste tot nu toe.  "We gebruiken de informatie die andere mensen weg zouden gooien, het deel dat afkomstig is van dicht bij de kern van het atoom, omdat de data altijd te complex leken om ontcijferd te kunnen worden", zei DiMauro. "We hebben een model ontwikkeld dat toont dat we eenvoudige maar belangrijke informatie kunnen onttrekken aan de meer complexe informatie. " De onderzoekers noemen hun vernieuwde techniek RABBITT+.

Het uitwerken van het model om de informatie bruikbaar te maken, is voor een groot deel de verdienste van Robert Jones, professor fysica aan de University of Virginia (UVA). Op de website van de UVA zei Jones dat het opvolgen van elektronen in dergelijk fijn detail een eerste stap is naar het controleren en sturen van elektronen in de materie, en dus "ook de eerste stap op de lange en ingewikkelde weg die eventueel zou kunnen leiden tot  het vermogen om naar goeddunken nieuwe toestanden van materie te creëren."  

De studie van het team van DiMauro is verschenen in het tijdschrift "Nature Physics".