Elektronen, die normaal gesproken stilstaan wanneer ze worden blootgesteld aan laserlicht, vertonen intrigerend gedrag wanneer de lichtintensiteit langs hun pad varieert. Stel je een eenvoudig scenario voor: een elektron badend in intense laserpulsen trilt als een stemvork op de frequentie van de lichtgolven. Nadat de puls is verdwenen, stopt dit trillen en keert het elektron terug naar zijn startpunt.
Maar wat gebeurt er als de sterkte van de laser niet uniform is? Stel je voor dat de laserstraal een soort optische ‘helling’ creëert. Als het elektron tijdens het pulserende licht langs deze helling beweegt, krijgt het bij elke oscillatie een extra impuls – een soort driftbeweging die zelfs aanhoudt als de puls eindigt. Dit fenomeen staat bekend als ponderomotorische versnelling.
Decennia lang hebben wetenschappers dit ‘glijdende’ effect waargenomen, maar daarvoor waren doorgaans lange laserpulsen nodig die vele oscillaties duurden om het duidelijk te kunnen zien. De belangrijkste uitdaging was het bereiken van voldoende ruimtelijke variatie in lichtintensiteit om het effect binnen één enkele puls merkbaar te maken.
Nu hebben onderzoekers precies dat bereikt met behulp van ongelooflijk scherpe metalen naalden die worden verlicht door ultrakorte laserpulsen die slechts drie oscillaties bevatten. Deze doorbraak werd gepubliceerd in Nature Physics.
Naalden scherpen het effect aan: een nadere blik op ultrasnelle elektronendynamiek
Wetenschappers hebben ongelooflijk dunne naaldpunten van wolfraam gemaakt – slechts een paar nanometer breed – die de variaties in lichtintensiteit dramatisch versterken wanneer ze worden geraakt door de laserpuls. Hierdoor konden ze zelfs tijdens een enkele lichtoscillatie een ponderomotievenversnelling waarnemen, een prestatie die voorheen als onmogelijk werd beschouwd.
Deze bevinding was vooral verrassend omdat verwacht werd dat deze scherpe naalden de ponderomotorische beweging zouden onderdrukken. In plaats daarvan waren het de langzamere elektronen die door de naald werden uitgezonden die het onverwachte streeppatroon onthulden – een intensivering van ponderomotorische effecten die nog nooit eerder was gezien.
“Onze experimenten hebben zelfs een verbetering van de ponderomotive-effecten voor de langzame elektronen aan het licht gebracht”, legt dr. Jonas Heimerl uit, een onderzoeker bij het project.
Deze ontdekking gaat verder dan alleen het observeren van het effect. De onderzoekers gebruikten gedetailleerde numerieke simulaties om te kwantificeren hoe ponderomotorische versnelling werkt op zulke ultrasnelle tijdschalen, waardoor geheel nieuwe wegen worden geopend voor het bestuderen van elektronengedrag.
Van fundamenteel begrip tot toekomstige toepassingen
Deze bevindingen zijn een bewijs van de kracht van het combineren van experimentele doorbraken met geavanceerde theoretische modellering. Door dit proces op zo’n fundamenteel niveau te begrijpen – op de schaal van individuele lichtoscillaties – krijgen wetenschappers krachtige nieuwe hulpmiddelen om elektronen in realtime te manipuleren en te controleren.
Dit opent deuren voor opwindende toepassingen in de ultrasnelle metrologie, waar ongelooflijk nauwkeurige metingen essentieel zijn, en in de opto-elektronica, waar het manipuleren van elektronenbewegingen cruciaal is voor de ontwikkeling van snellere, efficiëntere apparaten.
