Elektronen de bocht uit

Elektronen die in een verre baan om een atoomkern draaien, hebben maar een klein zetje nodig om 'uit de bocht' te vliegen. Binnen een paar rondjes van enkele picoseconden (10 seconde) valt het atoom dan uiteen in een kern en een elektron. Met een nieuwe, supersnelle camera, ontwikkeld door Marcel Lankhuijzen en Bart Noordam van het Amsterdamse FOM-instituut voor Atoom en Molecuulfysica (AMOLF) kan dat uiteenvallen voor het eerst direct gezien worden.

Een mechanische sluiter, zoals in fotocamera's wordt gebruikt, is veel te traag om zo'n razendsnelle opname te maken. De nieuwe camera gebruikt een elektronen-afbuig techniek. Elektronen die op een later tijdstip het atoom verlaten, worden meer afgebogen en belanden op een andere plaats op de detector. Zo wordt een tijdsverschil van een picoseconde vertaald naar een afstand van een paar micrometer op de meetkop.

De eerste metingen leverden meteen een verrassing op. Met een korte lichtflits werden elektronen naar een verre baan gebracht, en met de camera werd gekeken wanneer een elektrisch veld het elektron uit zijn baan trok. Een gedeelte van de elektronen bleek het atoom niet meteen te verlaten, maar draaide eerst nog een paar rondjes om de kern. Dat 'blijven plakken' was niet eerder voorspeld.

Lichtflits

Overigens illustreert het experiment eens temeer het indeterministische quantum-mechanische gedrag van de materie, waarmee Einstein zo'n moeite had. Hoewel alle atomen in dezelfde toestand begonnen en dezelfde lichtflits zagen, reageren ze toch heel verschillend. Welke atomen hun elektron meteen verliezen, en welke later: het is puur toeval. De quantummechanica levert alleen de kansen voor de verschillende mogelijkheden.

Behalve nieuw inzicht zou de vinding AMOLF ook wel eens geld op kunnen leveren: een commerciële toepassing lijkt in zicht. Met steun van STW gaat gewerkt worden aan de ontwikkeling van een snelle infra-rood camera. Daarbij geven lichtdeeltjes (fotonen) het zetje dat de elektronen nodig hebben om uit de bocht te vliegen. Het tijdsprofiel van een lichtflits wordt dus weerspiegeld in het tijdsprofiel van de gedetecteerde elektronen: meer fotonen geven meer elektronen. Noordam en Lankhuijzen denken daarmee het concept voor een ultra-snelle infrarood camera in handen te hebben. Er is octrooi op aangevraagd, en er komt ook commerciële ondersteuning. Na een gunstige evaluatie door Licentec, Nederlands enige technologie-makelaar, werd een financiële partner gevonden. Seed Capital Investments (SCI), een profit-organisatie van vier banken en de Nederlandse organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), investeert in risicovolle high-tech projecten. Voor het AMOLF-project wordt een ton geonvesteerd door SCI. Nadat een demonstratie-model gebouwd is, hoopt Noordam het octrooi te kunnen verkopen.

Voor zichtbaar licht zijn zulke streak-camera's, zoals ze vanwege het uitstrijken van de elektronen ook wel genoemd worden, al wel te koop. Maar voor infra-rood licht, met golflengtes van meer dan een micrometer, zijn die niet gevoelig. De nieuwe camera zou dan ook goed gebruikt kunnen worden om de korte licht pulsjes in glasfibers te bekijken. Die pulsjes hebben een golflengte van anderhalve micrometer (een micrometer is een duizendste millimeter), net op het randje van het bereik van al bekende streak-camera's. Noordam schat dat de nieuwe camera bij die golflengtes minstens duizend keer gevoeliger zal zijn.

Met de toenemende vraag naar snelle data-communicatie wordt steeds meer onderzoek gedaan naar het gedrag van lichtpulsjes in glasfibers. Tenzij er slimme tegenmaatregelen genomen worden, neemt de lengte van die pulsjes toe met het aantal kilometers dat er door een fiber gereisd is. Daardoor wordt het voordeel van korte licht pulsjes teniet gedaan.

Collega-onderzoekers hoeven zich door het aangevraagde octrooi niet geremd te voelen. Nabouwen voor wetenschappelijk gebruik is toegestaan.