De Nobelprijs voor Natuurkunde van 2023 is toegekend aan natuurkundigen Pierre Agostini, Ferenc Krausz en Anne L’Huillier voor hun werk aan ultrakorte lichtpulsen, waarmee we de beweging van elektronen door materie kunnen bestuderen.

Natuurkundigen Pierre Agostini, Ferenc Krausz en Anne L’Huillier ontdekten hoe ze lichtpulsen van een attoseconde (een triljoenste van een seconde) kunnen maken en die kunnen gebruiken om elektronen te filmen. L’Huillier legde het grondwerk hiervoor in de jaren tachtig en in 2001 wisten Agostini en Krausz de techniek te voltooien. Deze vondst heeft hen de Nobelprijs voor Natuurkunde van 2023 opgeleverd.

Anne L’Huillier van de Lund-universiteit in Zweden, die pas de vijfde vrouw is die de Nobelprijs voor Natuurkunde wint, hoorde het nieuws terwijl ze les aan het geven was. ‘Het laatste half uur van mijn college was een beetje lastig te doen’, zei L’Huillier op 3 oktober tijdens een persconferentie.

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
LEES OOK

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’

Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...

Attoseconde lichtpulsen

Net zoals we licht gebruiken om de macroscopische wereld om ons heen te observeren, kunnen we het ook gebruiken om de subatomaire wereld te onderzoeken. Deeltjes zoals elektronen kunnen echter sneller bewegen dan de duur van een lichtpuls. Hierdoor kunnen veel subtiele details van hun beweging verloren gaan.

Daarom zijn superkorte lichtpulsen zo belangrijk: flitsjes die slechts attoseconden duren. De eerste belangrijke doorbraak in het produceren van deze lichtpulsen kwam in 1987. L’Huillier en haar collega’s ontdekten toen dat licht van een infraroodlaser dat door neon-, argon- of xenongas scheen, ongewoon korte uitbarstingen vertoonde met een constante intensiteit.

L’Huillier en haar team beschreven dit effect wiskundig. Dat maakte het voor latere onderzoekers mogelijk om dit vreemde licht te verfijnen en het te gebruiken om op betrouwbare wijze lichtpulsen van enkele attoseconden te produceren.

Pierre Agostini van de Ohio-staatsuniversiteit in de VS en Ferenc Krausz van het Max Planck Instituut voor Quantumoptica in München ontwikkelden in 2001, onafhankelijk van elkaar, beide technieken om de korte lichtpulsen nauwkeuriger te maken. Agostini bedacht een manier om een reeks pulsen van elk ongeveer 250 attoseconden te genereren, de zogenaamde RABBITT-techniek. Krausz ontwierp een vergelijkbare methode, de zogenaamde streaking-methode, die pulsen van ongeveer 650 attoseconden produceerde.

Belangrijke technieken

De methoden werden vervolgens gemeengoed om een groot aantal verschillende elektronbewegingen te bestuderen. Zo bestudeerden wetenschappers hoe elektronen samen over kleine afstanden bewegen, en hoe quantumeigenschappen, zoals de spin van een deeltje, veranderen afhankelijk van het materiaal waarin de elektronen zich bevinden.

Het bestuderen en begrijpen van elektronen op zulke korte tijdschalen heeft geleid tot vooruitgang in ultrasnelle elektronica. Dat kan in de toekomst leiden tot de ontwikkeling van krachtigere computerchips.

Ook maakt deze technologie het mogelijk om moleculen van elkaar te onderscheiden op basis van hun elektroneigenschappen. Dat kan gebruikt worden voor de snelle en nauwkeurige diagnose van ziekten, door moleculen in het bloed te volgen.

‘Als je eenmaal in de situatie bent dat je deze technieken begrijpt en de technologie hebt om ze te beheersen, dan kun je gaan nadenken over de toepassingen,’ zei Mats Larsson, lid van het Nobelcomité voor Natuurkunde, tijdens de persconferentie.