Met driedimensionaal laserlicht elektronen naar nieuwe toestanden sturen

Onderzoekers van de Universiteit Oldenburg maakten een driedimensionaal lichtveld door twee verschillend gekleurde, polarisatiegevormde femtosecondepulsen onder een hoek samen te laten komen. Op de plek waar de pulsen elkaar overlapten, vormden hun elektrische velden een patroon dat in drie dimensies te sturen was. Het team gebruikte dat licht om kaliumatomen te ioniseren en rapporteerde golfpakketten van vrije elektronen met baanimpulsmoment.

De proef laat zien dat een zorgvuldig gevormd 3D-lichtveld toegang kan bieden tot elektronentoestanden die met de lichtvelden in deze experimenten niet bereikbaar waren. Het gaat om een demonstratie in atomen, niet om een experiment met moleculen.

Een lichtveld dat niet in één vlak blijft

De polarisatie van laserlicht geeft aan in welke richting het elektrische veld van de lichtgolf trilt. Door de polarisatie van twee pulsen met verschillende kleuren vorm te geven en ze uit verschillende richtingen te laten samenkomen, creëerden de onderzoekers een veld dat zich in drie dimensies laat sturen.

De pulsen duurden slechts femtoseconden: een femtoseconde is een biljardste van een seconde. In het gevormde veld namen kaliumatomen meerdere fotonen op en raakten ze geïoniseerd. Zo kwamen elektronen vrij, waarvan de onderzoekers golfpakketten met baanimpulsmoment konden bestuderen.

Wat de proef wel en niet aantoonde

De onderzoekers rapporteerden de eerste waarneming van zulke golfpakketten van vrije elektronen, opgewekt door multiphoton-ionisatie van atomen met bichromatisch 3D-licht. De vorm van het lichtveld biedt daarmee een extra manier om de kwantumtoestand van uitgestoten elektronen te beïnvloeden en te onderzoeken.

Dat betekent niet dat de techniek al is ingezet om moleculen te herkennen of van elkaar te scheiden. De demonstratie gebeurde met kaliumatomen. Moleculen vormen een mogelijke toepassing voor vervolgonderzoek, geen uitkomst van dit experiment.

Kunnen spiegelbeeldmoleculen ooit te onderscheiden zijn?

Chirale moleculen bestaan in twee vormen die elkaars spiegelbeeld zijn. Onderzoekers bestuderen al of gestructureerd, lokaal chiraal licht de wisselwerking met zulke moleculen gevoelig kan maken voor hun ‘handigheid’. Dat zou bijvoorbeeld kunnen helpen om verschillende spiegelbeeldvormen te onderscheiden. 1415

Het Oldenburgse werk kan op termijn bijdragen aan dat bredere onderzoeksdoel, doordat het nieuwe mogelijkheden biedt om lichtvelden te vormen. Maar of de 3D-velden daadwerkelijk bruikbaar zijn om spiegelbeeldmoleculen te onderscheiden, moet nog worden onderzocht. 1415