Stichting FOM
16 december 2010, 2010/46
Atoom maakt hologram van zichzelf
Onderzoekers van de FOM-instituten AMOLF en Rijnhuizen hebben voor het
eerst in de geschiedenis een hologram van een atoom gemaakt met
behulp van de elektronen van het atoom zelf. Hierbij werd gebruik
gemaakt van de unieke eigenschappen van FELICE, de nieuwe
vrije-elektronen laser voor intra-cavity experimenten van Rijnhuizen.
Daarnaast hebben de onderzoekers samen met een internationaal
onderzoeksteam bewezen dat hele snelle bewegingen van zowel het
elektron als van het achtergebleven ion 'opgeslagen' worden in het
hologram. Deze ontdekking zou kunnen leiden tot een nieuwe aanvullende
techniek om processen te ontrafelen op een zeer korte tijdschaal en kan
inzicht geven in belangrijke chemische reacties om ons heen. Voor
FOM-oio Ymkje Huismans is dit een zeer goede eerste publicatie als
eerste auteur: Science publiceert de onderzoeksresultaten vandaag
online.
Figuur 1. Hologram van een Xenon atoom, gemeten met de FELICE-laser in
van FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen
vergroten Figuur 1. Hologram van een Xenon atoom, gemeten met de
FELICE-laser in van FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen
Figuur 2. Concept van holografie
vergroten Figuur 2. Concept van holografie
Figuur 3. FELICE; de vrije elektronen laser van het FOM-Instituut voor
Plasmafysica Rijnhuizen
vergroten Figuur 3. FELICE; de vrije elektronen laser van het
FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, met op de voorgrond
onderzoekers
(vlnr) Aneta Smolkowska, Julia Jungmann en Ymkje Huismans
Holografie met getunnelde elektronen
De meeste mensen kennen holografie in de vorm van de
'regenboogplaatjes' in hun credit card en van afbeeldingen die
driedimensionaal lijken maar het niet echt zijn. Een hologram wordt
gemaakt door een coherente licht- of elektronenbundel in tweeën te
splitsen. Een van de bundels belicht een object, de tweede bundel doet
dat niet. Als beide bundels weer bij elkaar komen vormen ze een
interferentiepatroon, waarin alle informatie van het object ligt
opgeslagen.
Dit idee hebben Huismans en haar collega's gebruikt om informatie uit
atomen op te slaan. Met FELICE hebben Huismans en haar collega's atomen
geïoniseerd en de vrijgekomen elektronen gebruikt om een hologram te
maken. De eerste stap was het maken van een coherente elektronenbron,
op enige afstand van het ion vandaan. De onderzoekers ioniseerden
atomen met FELICE door met infrarood laserlicht een atoom te
beschijnen. Telkens als het veld van laser het sterkste is, komt er een
elektron vrij, op een afstand die wel dertig keer zo groot is als de
afstand van het binnenste elektron tot de kern. Deze 'tunnelionisatie'
heeft bovendien de eigenschap dat de vrijgekomen elektronen altijd
dezelfde fase hebben en dus coherent zijn.
Na het maken van deze coherente elektronenbron, moet de bundel twee
verschillende paden gaan volgen. Dit gebeurt automatisch als het
elektron vrij komt en het elektrisch veld van de laser nog aanwezig is.
De laser zorgt er namelijk voor dat de elektronen op en neer gaan
bewegen; van het ion af en naar het ion toe. Niet elk elektron zal
hierbij hetzelfde pad volgen. Sommige zullen terugkomen bij het ion,
daarmee botsen en zo als het ware het ion `beschijnen'. Andere
elektronen zullen een ander pad volgen en niet botsen met het ion.
Wanneer alle elektronen weer bij elkaar komen vormen ze een
interferentiepatroon, net als in het klassieke hologram. Zo maken
elektronen van een atoom een hologram van het atoom waar ze zelf deel
van waren.
Snelle bewegingen in het hologram
Samen met onderzoekers uit Rusland, Duitsland, Engeland en de VS zijn
de metingen met theoretische modellen nagebootst. Hieruit volgt dat de
snelle bewegingen van zowel de elektronen als het achtergebleven ion
worden opgeslagen in het hologram. Sinds een kleine tien jaar zijn de
eerste technieken ontwikkeld om deze hele snelle beweging te meten met
zogenaamde attoseconde (10^-18s) pulsen. Holografie in atomen is een
aanvullende techniek, waarmee onderzoekers chemische processen op een
tijdschaal van attoseconden op het meest essentiële basisniveau kunnen
ontrafelen, begrijpen en wellicht ook sturen. Een enorm waardevolle
techniek, omdat deze beweging tot voor kort niet direct gemeten kon
worden, maar wel aan de basis ligt van alle chemische reacties om ons
heen. Het kunnen meten van deze beweging is dus cruciaal voor het
begrijpen van deze processen.
Meer informatie
FOM-instituut AMOLF: www.amolf.nl
FELICE is onderdeel van de internationale onderzoeksfaciliteit FELIX op
het FOM-Instituut voor Plasmafysica
Rijnhuizen:http://www.rijnhuizen.nl/felice
Referentie: DOI 10.1126/science.1198450 .Contact
Ymkje Huismans, (020) 754 71 66.
Prof.dr. Marc Vrakking, +49 1515 715 34 46.