Mottakarane av Nobelprisen i fysikk i år har klart å sjå korleis elektrona bevegar seg i atom og molekyl. Forskingsgruppene deira nyttar Sisyfos, ei programvare utvikla av FFI-forskaren Gunnar Arisholm. Programmet blir brukt for å utvikle laserkjelder til forsøka.
«Men desse miljøa har eg jo hatt mykje å gjere med!»
Det var Gunnar Arisholms første reaksjon då han såg kven som blir tildelt Nobelprisen i fysikk for 2023.
Dei tre forskarane Ferenc Krausz, Anne L’Huillier og Pierre Agostini vil stå på podiet i Stockholm 10. desember, for å få dei fortente medaljane sine og dele 11 millionar svenske kroner mellom seg.
FFI-forskaren har publisert artiklar saman med to av dei.
Laserpulsar må til
Bakgrunnen er at Arisholm har vore hovudmannen i utviklinga av FFIs dataprogram Sisyfos. Programmet er brukt av gruppene til dei tre nobelprisvinnarane. Medforskarane deira har brukt det for å simulere laserkjelder og ikkjelineær optikk med svært korte pulsar.
Eit viktig mål var å finne ut korleis elektrona rører seg i atom og molekyl.
– Rørslene er så raske at ein må kunne måle med ein tidsskala på 100 attosekund for å studere dei. Og laserpulsar på nokre få femtosekund er naudsynte for å drive forsøka som i sin tur får fram attosekundpulsar, forklarer FFI-forskaren.
Ein byggekloss
Arisholm vil ikkje overdrive si eiga rolle: Han meiner Sisyfos berre har vore eit verktøy i forskinga, ikkje noko meir.
– Forskarane var godt i gang med det banebrytande arbeidet sitt før programmet mitt kom inn i biletet, seier han.
– Dessutan er det ikkje sjølve attosekundfenomena Sisyfos simulerer.
Han fortel at han vart kjend med fleire medarbeidarar i forskinga under eit opphald ved Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH) i Zürich i 2002.
Sjefsforskaren og programutviklaren ved FFIs avdeling Forsvarssystemer har også besøkt miljøet i Lund i Sverige, der fransk-svenske Anne L’Huillier har leidd arbeidet, og ungararen Ferenc Krausz’ medarbeidarar ved Max Planck Institute of Quantum Optics i München.
Eit ubegripeleg kort sekund
Nobelprisen til dei tre forskarane er tildelt dei «for eksperimentelle metodar som skaper attosekundpulsar av lys, for studiet av elektrondynamikk i materie», som det heiter i grunngjevinga. Eksperimenta fangar så korte augeblikk at dei altså blir målte i denne eininga. Eit attosekund er nesten umogleg å førestille seg. Ein enkel illustrasjon gir eit visst perspektiv: Dersom du plasserer eit attosekund lengst til venstre på ei linje, og alderen på universet lengst til høgre, kvar på linja ligg då eit vanleg sekund? Jo, midt på. Sagt på ein annan måte: Attosekundet er så kort at det er omtrent like mange slike på eitt sekund som det har vore vanlege sekund sidan universet blei fødd!
Ingen einmannsjobb
Arbeida til forskarane har ført til at vi no har fått ei form for bilete av slike lynraske prosessar inne i atom og molekyl.
Det starta i 1987. Då såg Anne L’Huillier at mange ulike overtonar av lys oppstod når ho sende infraraudt laserlys gjennom ein edelgass.
Kvar overtone er ei lysbølgje, med eit gitt tal syklusar for kvar syklus i laserlyset. Dei er forårsaka av laserlyset, som samhandlar med atom i gassen. Nokre elektron får ekstra energi. Energien blir sendt ut som lys.
L’Huillier har halde fram med å utforske dette fenomenet. Ho har lagt grunnlaget for etterfølgjande gjennombrot. I 2001 lukkast Pierre Agostini med å produsere og undersøkje ein serie etterfølgjande lyspulsar, der kvar puls varte berre 250 attosekund. Samstundes jobba Ferenc Krausz med ein annan type eksperiment. Det gjorde det mogleg å isolere ein enkelt lyspuls, som varte i 650 attosekund.
Gunnar Arisholm seier det er lagt ned eit stort arbeid i forskinga.
– Dette har ikkje vore ein einmannsjobb. Slike eksperiment krev mykje tid og enorme ressursar. Krausz har til dømes ei gruppe med mange titals medarbeidarar, i laboratorium med store vakuumanlegg og svært avansert laserutstyr, fortel han.
Bruksområde kjem
Eva Olsson, leiar av Nobelkomiteen for fysikk, karakteriserer resultatet av arbeidet til prismottakarane slik:
– Vi kan no opne døra inn i verda til elektrona. Attosekundets fysikk gir oss høve til å forstå mekanismane som blir styrte av elektron. Det neste trinnet vil vere å bruke dei.
Sidan det er elektrona som tek del i kjemiske reaksjonar, kan ei betre forståing av dynamikken til elektrona bidra til å forstå kjemiske reaksjonar. Vonleg kan det forbetre kjemiske prosessar.
Attosekundpulsar kan også brukast til å identifisere ulike molekyl, til dømes i medisinsk diagnostikk. Sidan dette i høg grad er grunnforsking, er dei kommande bruksområda langt frå kjende.
FFI trong augesikker laser
For å gå frå grunnforsking til bruksmåtar trengst det laserar som ikkje berre lagar korte pulsar, men også lagar dei med høg rate: helst millionar av pulsar kvart sekund. Dette er krevjande utviklingsarbeid. I denne samanhengen er Sisyfos eit av verktøya.
– Dette er i utgangspunktet eit simuleringsprogram for ulineær optikk. Eg byrja å utvikle det basert på eit behov i lasergruppa her ved FFI, fortel Arisholm.
– Eg bygde på eit program for lasersimulering som medforskarane mine, Stig Landrø og Halvor Ajer, hadde laga. Sisyfos kan rekne på korleis laserpulsar forplantar seg i ulineære optiske medium. Utgangspunktet er at gode laserar berre finst for enkelte bølgelengder. Samtidig trong vi noko som kunne gi oss laserlys på andre frekvensar, ikkje minst i det «augesikre» området. I lasergruppa arbeidde vi med å generere laserlys på ei bølgjelengd der det var relativt lett, og så konvertere det til dei bølgelengdene vi ønskte. Sisyfos blei utvikla for å simulere denne prosessen. Dette blei kjernen i doktorgradsprosjektet mitt her ved FFI. Utviklinga har halde fram i dei 23 åra sidan. I så måte lever Sisyfos stadig meir opp til namnet, ler forskaren.
Morosamt å bidra
I tillegg til å spele på den greske myten om mannen som alltid mislukkast å få rullesteinen sin til å bli liggjande på toppen av haugen, er Sisyfos eit akronym for «Simulation System For Optical Science». I FFIs katalog omtalt som «eit program for simulering av optisk parametrisk frekvensomforming, laserar og stråleforplanting i medium med ulineæritet eller turbulens».
– Eg er over på andre oppgåver innanfor elektrooptikk her ved FFI. Men det er morosamt å vere med og bidra på denne måten. Eg er framleis ikkje framand for å halde fram med slik programutvikling, særleg ikkje etter dette, smiler Gunnar Arisholm.
