Een Canadees die verliefd is op Spanje is bekroond voor zijn ultrasnelle lichtpulsen, de kompas om de microwereld te ontdekken
We hebben het gevoel dat alles heel snel gaat. Maar het is een buitengewoon trage tijd in vergelijking met de snelheid van de gebeurtenissen in de microscopische wereld, voorbij de grenzen van de menselijke waarneming, waar materie wordt bepaald, waar combinaties van deeltjes alle stoffen in het universum vormen. Daar vinden gebeurtenissen plaats in attoseconden (as), een triljoenste deel van een seconde. Een as is gelijk aan 0,000000000000000001 seconde of 10-18 en komt ongeveer overeen met de tijd die licht nodig heeft om een atoom te doorkruisen en de natuurlijke schaal van elektronische beweging in materie. De in Spanje woonachtige Canadees Allan Johnson is bekroond voor zijn onderzoek naar deze duizelingwekkende wereld en het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO) heeft een zachte röntgenpuls van slechts 19,2 attoseconden bereikt.
De Hongaar Ferenc Krausz, de Française Anne L’Huillier en haar landgenoot Pierre Agostini werden in 2023 onderscheiden met de Nobelprijs voor Natuurkunde voor het ontwikkelen van extreem korte lichtpulsen om dat tot dan toe onmeetbare proces van beweging of uitwisseling van energie van elektronen te meten. Ze ontvingen deze prijs acht maanden nadat hun onderzoek de Premio Fronteras del Conocimiento (Prijs voor Grenzen van de Kennis) in de categorie Basiswetenschappen van de BBVA-stichting had gewonnen.
Deze laatste instelling en de Real Sociedad Española de Física (RSEF) hebben opnieuw een ontdekkingsreiziger beloond op dit bijna onbekende gebied van het universum, waarvan tot deze eeuw alleen met theorieën op papier een kaart kon worden getekend. Allan Johnson, Ramón y Cajal-wetenschapper bij het IMDEA Nanociencia, is onderscheiden met de Premio Investigador Joven en Física Experimental (prijs voor jonge onderzoekers in de experimentele natuurkunde) voor zijn experimenten om ultrasnelle lichtpulsen te genereren, de kompasnaald om die wereld te ontdekken waar datgene wat we kennen vorm begint te krijgen, materialen te onderzoeken, het kwantumuniversum te begrijpen en zelfs de cellen van het lichaam in een ongekende dimensie te observeren.
Johnson werd 35 jaar geleden geboren in Ottawa (Canada), waar hij natuurkunde en wiskunde studeerde.
Na zijn doctoraat aan het Imperial College in Londen kwam hij naar Spanje uit liefde voor zijn vrouw, met wie hij twee kinderen heeft, en voor het land. “Op andere plaatsen heb ik het gevoel dat het leven lijden is, dat het heden slechter is dan het verleden. In Spanje heb ik het gevoel dat er een betere toekomst is. Het is een goed land om te wonen”, zegt hij.
Op andere plaatsen heb ik het gevoel dat het leven lijden is, dat het heden slechter is dan het verleden. In Spanje heb ik het gevoel dat er een betere toekomst is. Het is een goed land om te wonen
Hij ontvangt de prijs voor zijn werk met het zogenaamde supergeïmpulseerde regime, een technologie die gebruikmaakt van zeer krachtige lasers om attoseconde-duurige röntgenpulsen te genereren waarmee complexe materialen kunnen worden gemeten. “We gebruiken een zeer krachtige laser en richten deze zo dat hij een zo hoge intensiteit bereikt dat hij op het heetste punt temperaturen kan bereiken die hoger zijn dan die aan de buitenkant van de zon. Het resultaat is een superheet plasma dat de elektronen uit de atomen haalt en de materie breekt“, legt hij uit.
De technologie van het team van Johnson is de sleutel tot ander onderzoek. In dit verband zegt hij: ”Wanneer we het plasma genereren met een zeer krachtige laser, zendt het een röntgenpuls van een attoseconde uit en deze uitgezonden puls gebruiken we voor andere experimenten. Het supergepulseerde regime is een manier om attosecondepulsen met röntgenenergie te genereren in het laboratorium. Alle latere toepassingen maken gebruik van ultrasnelle röntgenstralen, maar zijn niet specifiek voor het supergepulseerde regime.“
Een van die latere toepassingen is het begrijpen van de dynamica van elektronen, die van fundamenteel belang is in de kwantumwereld, die volgens de natuurkunde de natuur verklaart: ”De correlaties tussen elektronen zijn erg belangrijk.
In een normaal materiaal, zoals een stuk aluminium of glas, stellen we ons voor dat elk elektron onafhankelijk functioneert. Dat is niet helemaal waar, hoewel we alle halfgeleiders en computers ter wereld op basis van dit idee hebben gebouwd. Maar in kwantummaterialen werkt het model niet zo en daarom moeten we begrijpen hoe elektronen op elkaar inwerken.
Om het belang van dit onderzoek te illustreren, legt Johnson uit dat 10% van de opgewekte elektriciteit onderweg verloren gaat. “Het verminderen van deze verliezen kan een grote bijdrage leveren aan de strijd tegen klimaatverandering en aan de energieonafhankelijkheid van Europa”, benadrukt hij.
Overimpulse-technologieën zijn ook van fundamenteel belang voor de metrologie en hebben praktische toepassingen in de bouw van microprocessoren of, zoals hij uitlegt, om “cellen te bekijken met een hogere resolutie dan die van welke bestaande optische microscoop dan ook”.
Een ander gebied dat door deze attosecondepulsen wordt ontsloten, is de materiaalkunde. Maar het gebied is breed: “Op nanometerschaal kunnen we materialen nemen en ze magnetisch maken of omgekeerd. Er zijn enkele studies die suggereren dat we een materiaal dat geen supergeleider is, daadwerkelijk in een supergeleider kunnen veranderen, dat we materialen in heel andere toestanden kunnen vangen dan op enige andere manier mogelijk is”.
“De droom”, geeft Johnson toe, zou zijn om materialen te creëren die niet in de natuur voorkomen en die unieke eigenschappen hebben, op aanvraag. Maar hij erkent dat we daar nog ver van verwijderd zijn. Hij is echter van mening dat de weg open ligt en dat er al haalbare toepassingen zijn in informatieverwerking, sensoren, ruimtevaarttechnologie en neuromorfische computers, die het menselijk brein nabootsen.
Record van het ICFO
Op hetzelfde gebied heeft een groep onderzoekers van het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO) een nieuw record gevestigd door een zachte röntgenpuls van slechts 19,2 attoseconden te genereren, die als de kortste tot nu toe wordt beschouwd. Het is de snelste lichtflits, zelfs sneller dan de atomaire tijdseenheid (24,2 attoseconden), die overeenkomt met de tijd die een elektron nodig heeft om een baan rond het waterstofatoom te voltooien: het “atoomjaar”, meldt het ICFO in een bericht naar aanleiding van het onderzoek dat is gepubliceerd in Ultrafast Science.
“Deze nieuwe mogelijkheid maakt de weg vrij voor doorbraken in de natuurkunde, scheikunde, biologie en kwantumwetenschap, waardoor directe observatie mogelijk wordt van processen die fotovoltaïsche energie, katalyse, gecorreleerde materialen en opkomende kwantumapparaten aandrijven”, aldus de Duitse natuurkundige Jens Biegert van het ICFO.
Het instituut legt uit dat de sleutel tot deze bevindingen ligt in het begrijpen hoe materie zich gedraagt en interageert op atomaire en subatomaire schaal: “Elektronen bepalen alles: hoe chemische reacties verlopen, hoe materialen elektriciteit geleiden, hoe biologische moleculen energie overbrengen en hoe kwantumtechnologieën werken. Maar de elektronische dynamica vindt plaats op tijdschalen van attoseconden, die te snel zijn voor conventionele meetinstrumenten.“
”Onze resultaten tonen de opmerkelijke mogelijkheden van attoseconde-technologie aan en leggen de basis voor een algemeen gebruik ervan in de fundamentele en toegepaste wetenschap”, concluderen de wetenschappers in hun onderzoek, waarin ze wijzen op een vergelijkbare prestatie, zij het in een ander bereik, gepubliceerd in arXiv.
