N.B. Het kan zijn dat elementen ontbreken aan deze printversie.
Natuurkunde Een trio wetenschappers is erin geslaagd met zeer korte laserpulsen momentopnames te maken van elektronen. Deze kennis kan in de toekomst worden gebruikt bij het herkennen van ziektes.
:format(webp)/s3/static.nrc.nl/images/gn4/stripped/data106159337-24fac3.jpg)
Het Nobelcomité in Stockholm moest natuurkundige Anne L’Huillier vanochtend maarliefst vier keer bellen voor ze éindelijk opnam. Ze stond les te geven in Lund en had nu even pauze. Het comité vertelde haar dat ze een van de drie wetenschappers is die de Nobelprijs voor Natuurkunde toegekend krijgt. Na de bekendmaking ging ze meteen weer door met haar college. „Onderwijs is heel belangrijk”, zei L’Huillier tijdens een persconferentie een uur later. „Maar het laatste half uur van het college ging wel lastig. Ik ben enorm geraakt.”
De Nobelprijs voor Natuurkunde gaat dit jaar naar onderzoek naar ultrakorte tijdschalen. De prijs is toegekend aan Pierre Agostini, Ferenc Krausz en dus Anne L’Huillier voor hun experimenten die „de mensheid nieuw gereedschap hebben gegeven voor het verkennen van de wereld van elektronen in atomen en moleculen” – gereedschap dat volgens het comité in de toekomst kan helpen bij het herkennen van ziekten en verbeteren van elektronica.
Attoseconden
Elektronen bewegen bijzonder snel en wie die bewegingen wil bestuderen, moet ze dan ook zien waar te nemen op extreem korte tijdschalen, zoals een fotograaf een speciale highspeed camera nodig heeft om een opname te maken van de vleugels van een snel fladderende kolibrie. Bij elektronen gaat het om tijdschalen van attoseconden: een triljoenste van een seconde. Ter vergelijking: in de duur van één hartslag van de mens – een tel – passen ongeveer net zoveel attoseconden als er hartslagen passen in de leeftijd van het hele universum.
De drie laureaten bedachten een manier om met extreem korte laserpulsen momentopnames te maken van elektronen. Natuurkundige Huib Bakker van het Amsterdamse onderzoeksinstituut AMOLF legt uit hoe dat werkt. „Je begint met een relatief lange lichtpuls, van enkele tot tientallen femtosecondes. Dat is al heel kort, maar nog altijd een factor duizend langer dan de attoseconde. Die lichtpuls stuur je door een wolk van edelgasatomen, bijvoorbeeld xenon of argon, waarin elektronen sterk gebonden zijn.”
Zo’n lichtpuls is een golf met pieken en dalen, zegt Bakker. „Alléén op het moment dat de piek van de lichtgolf door een atoom gaat, schiet een elektron los van het atoom. Dat elektron keert vervolgens supersnel terug naar het atoom waarbij de energie van het elektron wordt omgezet in licht dat uitgezonden wordt als een hele korte puls. Deze lichtflitsjes duren zo kort dat hun tijdsduur in attoseconden wordt uitgedrukt.”
Door de zo ontstane ultrakorte lichtpulsen af te vuren op een molecuul, kunnen natuurkundigen een momentopname maken van de beweging van de elektronen in die molecuul en hun gedrag bestuderen. Maar zelfs dan is het beeld nog steeds wazig. Ze kunnen bijvoorbeeld zien aan welke kant van het molecuul het elektron zit, maar niet waar precies.
Toekomstmuziek
Deze techniek biedt kansen voor verschillende toepassingen, onder meer in de geneeskunde. „Alle chemische reacties, ook die in ons lichaam, hebben te maken met hoe elektronen bewegen”, zegt Bakker. „Dus als je begrijpt hoe elektronen bewegen, maakt dat het mogelijk om chemische reacties te controleren. Maar ook om geleiding in halfgeleiders sneller en efficiënter te maken, is het nuttig om te begrijpen waarom een elektron ergens blijft hangen. Maar dit is allemaal nog toekomstmuziek.”
Daarom is Bakker ook verrast. „Meestal wordt de Nobelprijs voor Natuurkunde toegekend aan technieken die al heel lang bewezen zijn, maar dit onderzoek is nog niet zo lang bezig. Pas sinds een paar jaar wordt de techniek ook echt gebruikt om moleculen te bestuderen. Het onderzoek is nog hele fundamenteel natuurkunde. Prachtig dat dit wordt gewaardeerd.”
Jan Versluis, ook van AMOLF, is net als Bakker verrast. „Het is heel fundamenteel onderzoek en spreekt veel minder tot de verbeelding dan bijvoorbeeld onderzoek naar zwarte gaten. Maar het attoseconde-onderzoek is ook een enorme technische prestatie.”
De natuurkundigen krijgen voor hun ontdekking alle drie een zelfde deel van de prijs van 11 miljoen Zweedse kronen (omgerekend 950.000 euro).
L’Huillier merkte in 1987 een gek effect op toen ze infrarood laserlicht in edelgas scheen. Sommige elektronen kregen extra energie die daarna als licht werd uitgezonden. Met haar ontdekking legde ze de basis voor het verdere onderzoek.
Agostini en Krausz gebruiken sinds begin deze eeuw onafhankelijk van elkaar met verschillende experimenten de inzichten van L’Huillier om korte lichtpulsen te produceren. De pulsen van Agostini duurden slechts 250 attoseconden. Die van Krausz 650.
Enorme eer
Wim Ubachs van de Vrije Universiteit , die verschillende wetenschappelijke artikelen met L’Huillier heeft gepubliceerd, zegt dat ze haar onderzoek heel precies uitvoert. „Alles moet bij haar kloppen. Een goede eigenschap voor een natuurkundige.” Ubachs werkte met L’Huillier toen ze nog samen met haar man aan de picoseconde werkte, die duurt een miljoen keer zo lang als de attoseconde.
Het is pas de vijfde keer dat een vrouw de Nobelprijs voor natuurkunde krijgt. Marie Curie ging L’Huillier voor in 1903, Maria Goeppert-Mayer in 1963, Donna Strickland in 2018 en Andrea Ghez in 2020. „Zoals u weet, zijn er niet veel vrouwen die deze meest prestigieuze prijs hebben gewonnen”, zei L’Huillier daarom tegen het comité. „Dit is een enorme eer.”
