Intens laserlicht verzwakt atomen en bevrijdt zo elektronen

Elektronen liggen als het ware opgesloten in de vallei, gevormd door het elektrostatische veld in het atoom. Ook de elektrische velden van intens laserlicht vormen zo’n vallei. Als de tussenliggende barrière niet te breed is, kunnen elektronen er volgens de quantummechanica doorheen ‘tunnelen’. Dat hangt samen met hun golfkarakter: Terwijl een bal zich slechts aan een kant van een barrière kan bevinden, kan een golf zich erover uitstrekken. Daardoor kan een elektron aan de andere zijde van de barrière (dus: weg van het atoom) opduiken. beeld FOM FOM

Atomen kunnen een elektron kwijtraken door het absorberen van een energierijk foton dat aan het elektron voldoende energie levert om de elektrostatische bindingskracht tussen de positief geladen atoomkern en het negatief geladen elektron te overwinnen. Maar in 1964 voorspelde de Russische natuurkundige Leonid Keldysh een alternatief mechanisme voor zulke ionisatie: als atomen met uiterst intens licht worden bestraald, kan de elektrostatische ‘potentiaalbarrière’ (die elektronen verhindert om uit het atoom te ontsnappen) zozeer worden verzwakt dat een elektron er doorheen kan ‘tunnelen’. Een Duits-Nederlands team van fysici heeft dit razendsnelle tunnelproces nu voor het eerst kunnen volgen en zo de voorspelling van Keldysh kunnen bevestigen (Nature, 4 april).

Het tunneleffect is een quantummechanisch verschijnsel dat samenhangt met het golfkarakter van deeltjes zoals elektronen. Het wordt onder meer gebruikt in de scanning tunneling microscoop (STM) en in opto-elektronische systemen.

Het team, onder leiding van laserexpert Ferenc Krausz van het Max Planck Instituut voor Quantum Optiek in Garching, bestraalde neongas met intense infraroodpulsen van 5000 attoseconden. Een attoseconde is een miljardste van een miljardste van een seconde, en zulke korte pulsen bevatten maar een klein aantal golfbewegingen van het elektrisch veld. Om aan te tonen dat de atomen elektronen verliezen telkens wanneer het elektrisch veld een maximum bereikte, gebruikten de onderzoekers een trucje.

Neon is een chemisch inert gas omdat de valentie-elektronen sterk aan de atomen zijn gebonden. Met een zeer korte ultraviolet laserpuls kan men echter een elektron zozeer van het neonatoom losweken dat, wanneer het elektrisch veld van de infraroodpuls aankomt, het elektron wel van het atoom kan weg tunnelen. De onderzoekers zonden eerst de infraroodpuls door het gas, meteen gevolgd door de 240 attoseconde durende ultravioletflits, en telden de neonionen die gevormd werden. Door de tijd tussen een reeks infraroodpulsen en de ultravioletpulsen te vergroten konden zij als het ware de maxima en minima van het elektrisch veld van de infraroodpuls aftasten. Zij vonden dat het aantal neonionen telkens met een sprongetje toenam wanneer het elektrisch veld een maximum bereikte.

Om dit te realiseren moesten de ultravioletpulsen worden bekort tot een record van slechts 100 attoseconden. Harm Geert Muller van het onderzoeksinstituut AMOLF in Amsterdam, die als theoreticus aan dit werk heeft bijgedragen, verwacht dat deze laserpulsen ook zullen toestaan de razendsnelle bewegingen van elektronen in vaste stoffen en halfgeleiders te volgen. “Honderd attoseconden is zo kort dat kernen nauwelijks meer bewegen op die tijdschaal”, zegt Muller.

Alexander Hellemans