Attosecond interferometry: techniques and spectroscopy

Abstract: Popular Abstract in Swedish Egenskaperna hos de material som utgör och omger oss, som t.ex. färg, struktur och kemiska egenskaper, bestäms av hur elektronerna som är en del av dess byggstenar, atomerna, är strukturerade. Ett sätt att undersöka elektronstrukturen är med hjälp den fotoelektriska effekten. Ljus, elektromagnetiska fält, kan beskrivas som en ström av ljuspartiklar, fotoner, som alla bär på en bestämd mängd energi. Den fotoelektriska effekten är den process där en foton, med tillräckligt hög energi, absorberas av atomen och en (eller flera) elektron(er) frigörs. Genom att mäta rörelseenergin hos de elektroner som kommer ut, får man reda på hur starkt bundna de är till atomen. Att studera elektronernas energi ger tyvärr bara begränsad kunskap om hur det går till när elektronenrna lossnar. I den här avhandlingen beskrivs experiment där extremt korta ljusblixtar med våglängder inom det extrem-ultravioletta området, s.k. attosekundspulser (as, 1 as=10−18 s), utnyttjats för att studera hur växelverkan mellan atomkärnan och elektronen påverkar tidsförloppet då elektronen slits loss. Vidare har processen att generera attosekundspulser studerats, detta i syfte att svara på frågan hur precisa den här sortens experiment kan göras. Metoden som använts utnyttjar materiens vågnatur i den mikroskopiska världen och kan beskrivas som interferometi med elektroner. Attosekundspulser En sekvens av attosekundspulser, ett pulståg, skapas när man fokuserar en stark laserpuls in en gas. Mekanismen bygger på att de yttersta elektronerna i atomerna plötsligt blir fria då den elektriska kraften med vilken laserpulsen påverkar atomerna övervinner den kraft som binder elektronerna till atomen. Styrkan och riktningen på kraften varierar dock periodiskt, varför de fria elektonerna inom en kort tidsram (1.6 fs, 1 fs=10−15s) drivs tillbaka och kolliderar med atomen. Kollisionen ger upphov till en ljusblixt med en varaktighet på bara ett hundratal attosekunder. Det faktum att alla atomer i gasen påverkas på samma sätt, det vill säga ljusblixtarna avges samtidigt, gör att alla ljusvågorna svänger likadant, man säger att de är koherenta. Koherens är en förutsättning för att ljuspulserna ska kunna användas till experimenten som beskrivs i den här avhandlingen. Till exempel visade ett av experimenten i avhandlingen att synkroniseringen mellan attosekundspulserna och laserpulsen som skapar dem, påverkas av densiteten hos gasen i vilken de genereras. Interferometri med elektroner På mikroskopisk nivå beskrivs all materia som vågor. Efter det att en elektron frigjorts från en atom fortplantar sig dess vågrörelse och sprids likt det som sker när en droppe träffar en vattenyta. Lokalt, nära atomkärnan störs dock vågrörelsen av de krafter som verkar mellan atomkärnan, elektronen och de övriga elektornerna som är bundna till atomen. Detta ändrar hur elektronvågorna ser ut då de detekteras långt borta från atomen, det ändrar när dalarna och topparna kommer. Kvantmekaniken, som beskriver den mikroskopiska världen, säger oss dock att sådana s.k. fasskiften inte är direkt mätbara. Istället måste vi utnyttja en teknik som kallas interferometri. När två vågor med samma våglängd adderas blir resultatet en ny våg, vars våglängd är den samma men vars amplitud beror på var vågdalarna och vågtopparna befinner sig relativt varandra hos de ursprungliga vågorna. Denna process kan vi åstadkomma genom att ändra våglängden hos de ursprungliga elektronvågorna något, med hjälp av en infraröd laserpuls. Genom att mäta amplituden hos de resulterande vågorna går det alltså att mäta hur mycket en våg är skiftad i förhållande till en annan. Vågamplituder är direkt mätbara eftersom de är proportionella mot sannolikheten att vår detektor registrerar en elektron med en viss kinetisk energi. Dessa resultat kan sedan jämföras med förutsägelser från teoretiska modeller av atomens elektronstruktur och man kan dra slutsatser om vilka mekanismer i dessa komplexa system som spelar stor roll och vilka man eventuellt kan bortse ifrån. Samma teknik kan också användas för att karakterisera sekvenser av attosekundspulser, eftersom karakteristiken hos pulserna påverkar sammansättningen av elektronvågen.