Wetenschappers hebben een aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het manipuleren van extreem korte lichtflitsen, bekend als attosecondepulsen. Onderzoekers van het Max Born Institute (MBI) en DESY hebben een plasmalens gedemonstreerd die deze pulsen kan focusseren, een doorbraak die belooft het beschikbare vermogen voor het bestuderen van de ongelooflijk snelle bewegingen van elektronen aanzienlijk te vergroten. De bevindingen, gepubliceerd in Nature Photonics, openen opwindende nieuwe wegen voor het begrijpen en controleren van elektronengedrag in atomen, moleculen en vaste materialen.
Attosecondepulsen en de focusuitdaging begrijpen
Attosecondepulsen – die slechts een miljardste van een miljardste van een seconde duren – zijn essentiële hulpmiddelen voor het observeren en manipuleren van de bewegingen van elektronen. Het focusseren van deze pulsen, die zich in de extreem-ultraviolette (XUV) en röntgengebieden van het elektromagnetische spectrum bevinden, is historisch gezien echter een grote hindernis geweest. De huidige conventionele methoden schieten tekort.
- Spiegels: Hoewel ze vaak worden gebruikt, hebben ze een laag reflectievermogen en gaan ze snel achteruit.
- Traditionele lenzen: Deze zijn effectief voor zichtbaar licht, maar zijn niet geschikt voor attosecondepulsen omdat ze XUV-licht absorberen en de pulsduur verlengen.
De innovatieve plasmalensoplossing
Het onderzoeksteam heeft deze uitdaging overwonnen door een nieuwe plasmalens te ontwikkelen. Het proces omvat het afvuren van krachtige elektrische pulsen door waterstofgas dat in een klein buisje is opgesloten. Hierdoor worden de waterstofatomen snel van hun elektronen ontdaan, waardoor een plasma ontstaat: een toestand van materie waarin elektronen worden gescheiden van de atomen. De elektronen verspreiden zich op natuurlijke wijze naar buiten en vormen een plasmastructuur die lijkt op een holle lens.
Belangrijk is dat plasma, in tegenstelling tot gewone materialen, het licht zodanig buigt dat het de attosecondepulsen kan focussen in plaats van verspreiden.
Belangrijkste voordelen en bevindingen
De nieuwe plasmalens biedt verschillende belangrijke voordelen:
- Breedspectrumscherpstelling: De lens kan attosecondepulsen effectief scherpstellen over een bereik van XUV-golflengten.
- Instelbare brandpuntsafstand: De brandpuntsafstand van de lens kan worden aangepast door de plasmadichtheid te regelen.
- Hoge transmissiesnelheid: De onderzoekers bereikten een transmissiesnelheid van meer dan 80%, wat betekent dat een aanzienlijk deel van de attosecondepulsen door de lens gaat.
- Vervanging van het infraroodfilter: De plasmalens filtert effectief de infraroodpulsen weg waarvoor normaal gesproken aparte metaalfilters nodig zijn. Het wegnemen van de noodzaak voor deze filters leidt tot een sterkere, intensere attosecondelichtbron.
Behoud van de ultrasnelle polsduur
Om de prestaties van de plasmalens volledig te karakteriseren, voerden de onderzoekers gedetailleerde computersimulaties uit. Uit deze simulaties bleek dat de attosecondepulsen slechts een lichte toename in duur ondervonden (van 90 naar 96 attoseconden) nadat ze waren scherpgesteld. Bovendien, onder realistische omstandigheden waarin de pulscomponenten zich op enigszins verschillende tijdstippen voortbewegen, comprimeerde de plasmalens de pulsen feitelijk, waardoor de duur werd teruggebracht van 189 naar 165 attoseconden.
Deze doorbraak breidt de mogelijkheden voor attoseconde-experimenten aanzienlijk uit, die vaak beperkt worden door de beschikbare lichtintensiteit.
De ontwikkeling van deze plasmalens betekent een substantiële stap voorwaarts in de ultrasnelle optica, waardoor wetenschappers een krachtig nieuw hulpmiddel krijgen om de fundamentele dynamiek van elektronen te onderzoeken en de weg vrij te maken voor innovatieve toepassingen op gebieden als materiaalkunde en kwantumtechnologie.
