Zwermgedrag bestaat niet alleen bij vogels, insecten of vissen, ook de microkosmos kent dergelijke fenomenen. Het is een team van het Labor für Attosekundenphysik van het Max-Planck-Institut für Quantenoptik, de Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) en de Friedrich-Schiller-Universität Jena gelukt om met lasers versnelde zwermen van elektronen in een samenspel met een plasmagolf (bestaande uit positief geladen heliumionen en andere elektronen) te bestu-deren. Daarmee hebben de onderzoekers realtime documen-tatie opgesteld over de manier waarop elektronen zich onder invloed van sterke laserpulsen georganiseerd bundelen en zich tijdens deze vlucht in hun zog gedragen.
Deze kennis vergemakkelijkt de ontwikkeling van nieuwe elektronen- en lichtbronnen, waarmee men bijvoorbeeld de structuur van atomen en mole-culen onderzoekt. In de medische wereld helpt deze kennis om nieuwe röntgen-bronnen te ontwikkelen, waarvan het oplossend vermogen veel beter is dan van de huidige apparatuur.
Als korte laserpulsen op bijvoorbeeld heliumatomen stoten, wordt hun structuur behoorlijk door elkaar geschud. Als het licht voldoende genoeg is, slaat het elektronen uit de atomen los, waardoor de heliumatomen overgaan in helium-ionen. Het mengsel van elektronen en ionen noemt men plasma, dat onder sterke lichtinvloed golfstructuren kan aannemen. In de laserfysica gebruikt men dit proces onder speciale omstandigheden om een klein deel van de elektronen razendsnel tot de lichtsnelheid te versnellen en te controleren.
Foto
Het is de onderzoekers gelukt om met krachtig laserlicht de opgewekte elek-tronenbundels samen met de aandrijvende plasmagolf te fotograferen. Bij de experimenten richten de laserfysici een laserpuls op een gasverstuiver, waaruit de heliumatomen stromen (foto boven). De puls duurt slechts enkele fs (femtoseconden, 10-15 s). De lichtflits bestaat uit enkele golfcycli en circa een miljard lichtdeeltjes (fotonen). Het hoogste vermogen komt maar heel even voor binnen de lichtflits en is gecomprimeerd tot een zeer klein vlak. De intensieve laserpuls rukt elektronen los uit de atomen.
In deze cocktail zijn de elektronen veel lichter dan de heliumatoomstructuur, waardoor ze aan de kant worden gedrukt. Tijdens het beschijnen met de laserpuls die over het systeem strijkt, blijven de ionen stationair; de vrijge-komen elektronen oscilleren rond een bepaalde plaats. Een trilling van deze structuur duurt circa 20 fs.
Artist’s impression van de door laser aangestoten elektronenversnelling. Een intensieve lichtpuls (oranje) wekt een plasmagolf op (witte gemoduleerde oppervlakte) van trillende elektronen en stationaire heliumionen. Enkele elektronen komen hieruit vrij en vliegen als een zwerm met ongeveer de snelheid van het licht (rode kogeltjes) achter de laserpuls aan.
In de plasmagolf vormen zich gigantische elektrische velden, die wel duizend keer sterker zijn dan die in de grootste deeltjesversnellers ter wereld worden opgewekt. Een klein gedeelte van de elektronen maakt gebruik van de velden en vliegt als een zwerm in het zog de laserpuls achterna en versnelt tot bijna de lichtsnelheid. Elk elektron beschikt daarbij bijna over dezelfde hoeveelheid energie.
Doorbraak
Het fenomeen is in de fysica al lang bekend en in experimenten aangetoond. Tot nog toe waren echter alleen losse waarnemingen met gereduceerde resolutie van hetzij de elektronenzwerm hetzij de hele plasmagolf mogelijk. Het is de laserfysici gelukt om een gecombineerd document met hoge redsolutie van de plasmagolf te maken. In momentopnames werd het proces van dezelfde lichtpuls die ook de elektronen versneldt vastgelegd.
De wetenschappers hadden de laserpuls vooraf gesplitst, zodat een klein deel daarvan in een rechte hoek op het systeem uit vrije elektronen en ionen viel. Dit licht werd gebroken op de periodiek voorkomende plasmagolf, waardoor de breking verandert en voor een deel wordt afgebogen.
De afbuiging en daarmee ook de plasmagolf werden met de camera vastgelegd als verschil in helderheid. De onderzoekers bereiken daarbij een unieke ruimte-lijke oplossing in de tijd binnen het femtosecondegebied. Elektronen samen produceerden bovendien magnetische velden, die de natuurkundigen eveneens vastlegden en daarmee positie en tijdsduur bepaalden. Uit beide meetmethoden ontstond uiteindelijk een film van de elektronenversnelling.
De verbeterde kennis van de door een laser aangedreven elektronenversnel-ling helpt de onderzoekers om nieuwe röntgenbronnen te ontwikkelen met een nog niet bereikte kwaliteit voor het elementaire onderzoek, ook in de medische wereld.
