Elektronens spinn-dynamik studerad på sin naturliga tidsskala

Med hjälp av extremt korta ljuspulser och koincidens-teknik har forskare från flera svenska universitet lyckats följa det dynamiska förloppet när elektronens spinn – dess rotation kring sin egen axel – styr hur en atom absorberar ljus. Göran Wendin, på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, på Chalmers och Raimund Feifel på Institutionen för fysik på Göteborgs universitet är två av de medverkande forskarna. Resultaten publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications.
Bild på Göran Wendin.Professor Göran Wendin (t h) är en av de drivande krafterna inom Wallenberg Centre for Quantum Technology (WACQT), som leds från Chalmers och har som mål att bygga en svensk kvantdator inom tolv år. Han är involverad i ett flertal olika forskningsprojekt, inklusive det nu aktuella, som finansieras av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse (KAW).
– Faktum är att mitt bidrag går hela vägen tillbaka till min doktorsavhandling från 1972 som förklarade fotoabsorptionstvärsnittet av 4d-skalet i xenon i intervallet 70-140 eV, och nu studerats av det nya KAW-samarbetet, säger Göran Wendin.

I den nya studien använder forskarna attosekundpulser – en attosekund är en miljarddel av en miljarddels sekund.
Studien är gjord på xenon, en tung ädelgas som finns i små mängder i jordens atmosfär. Sedan tidigare vet man att xenon absorberar mjukröntgenstrålning av vissa våglängder ovanligt effektivt.

Fysiker kallar fenomenet en "jätteresonans" och har kunnat förklara att det är en kollektiv effekt där elektronerna kring atomen svarar samstämmigt på det absorberade ljuset. Särskilt fascinerande är att elektronens spinn har ett avgörande inflytande på resultatet.

Den nya studien kombinerar hög noggrannhet i tid och energi och visar att den ovanligt starka absorptionen beror på ett exciterat tillstånd med en mycket kort livstid - bara ca 50 attosekunder, medan elektronspinnets roll förklaras av ett annat tillstånd, med tio gånger längre livslängd, som bara kan nås genom att spinnet ändrar riktning.

Detta omvända spinn-tillstånd fungerar som en växel och styr sluttillståndets egenskaper. Resultatet ger nya insikter kring elektron-spinn dynamik och kan tänkas få betydelse för nya tekniska tillämpningar såsom spinntronik.
 
Foto på Göran Wendin: Johan Bodell

Läs artikeln i Nature Communications >>>

Mer information >>>

Anne L’Huillier, Fysiska institutionen, Avdelningen för atomfysik, The Lund Attosecond Science Center (LASC), Lunds universitet, 0705-317529, anne.lhuillier@fysik.lth.se
Eva Lindroth, Fysikum, Stockholms universitet, 0736-795034, eva.lindroth@fysik.su.se
Göran Wendin, avdelningen för kvantteknologi, Wallenberg Centre for Quantum Technology (WACQT), institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap MC2, Chalmers, 031-7723189, goran.wendin@chalmers.se
Raimund Feifel, Institutionen för fysik, Göteborgs universitet, 0708-381689, raimund.feifel@physics.gu.se

Mer bakgrund >>>

1960-talet var mångpartikelfysikens speciella decennium. Den legendariske chalmersprofessorn Stig Lundqvist (1925-2000) lärde känna Keith Brueckner, Hugh Kelly och Bob Schrieffer i USA och kom hem och inspirerade många fysikstudenter till stordåd. Göran Wendin till exempel tillämpade teorier för kollektiva excitationer i atomkärnor på elektrondynamiken hos tunga atomer. Poängen var att en-elektronmodeller med oberoende elektroner inte fungerade – allt var tämligen kollektivt, och resultaten förklarade data från banbrytande experiment med synkrotronstrålning. Det var faktiskt Wendin som 1973 introducerade konceptet “jättedipolresonans” för att beskriva det kollektiva fenomenet.
 
Medan Göran Wendin arbetade vid synkrotronstrålningslaboratoriet LURE, Orsay i Frankrike 1981–83, kom han i kontakt med Anne L’Huillier vid Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) i Saclay. Anne gjorde sitt experimentella doktorsarbete i en grupp som var världsledande på att excitera atomer med högintensiva lasrar. Anne ville göra beräkningar av multifotonjonisation av mångelektronsystem, speciellt ädelgaser, inklusive xenon. Wendin blev hennes teorihandledare, och de samarbetade under fem år och publicerade ett antal artiklar tillsammans.

Därefter gick Anne L’Huillier vidare till att bli en världsledande experimentalist, och hon blev djupt involverad i arbetet med att förstå och använda övertonsgenerering för attosekundspektroskopi. Ett Nobelpris för denna typ av forskning gick 2018 till Gérard Mourou och Donna Strickland.
 
Om man skickar intensiva infraröda pulser från en femtosekundlaser mot en metallyta kan man generera ett spektrum av attosekundpulser med upp till 100 övertoner med 2 eV frekvensavstånd. Detta täcker ett frekvensområde på 200 eV, från infrarött till mjuk röntgen, och inkluderar xenons jätteresonans i 4d skalet i området 70–130 eV. Med attosekundpulser har man dessutom ett tidtagarur som tickar med attosekundupplösning. Detta betyder att man kan fotografera en elektron på väg ut ur en atom.
 
Under åren 1975–85 analyserade Göran Wendin jätteresonanser i termer av effektiva atomära potentialer, och det visade sig nu väldigt användbart – 40 år senare tillsammans med de beräkningar med relativistisk mångpartikelteori som utfördes av Eva Lindroth, som en gång disputerade på Göteborgs universitet, och hennes grupp vid Stockholms universitet (SU). De gamla goda modellerna för kollektiva excitationer – "atomära plasmoner" – fungerar fortfarande (inte oväntat) som bakgrund för att förstå resultaten av moderna attacker på atomer med optiska och fri-elektronlasrar.

Sidansvarig Publicerad: to 05 nov 2020.