Nobelprijs voor Fysica voor toegang tot de wereld van elektronen

Beeld: Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach

Daarmee gaat er nog maar eens een Nobelprijs naar onderzoek dat de fascinerende wereld van het allerkleinste verkent, meer bepaald op de schaal van elektronen. De drie laureaten verrichtten experimenteel pionierswerk om ultrakorte pulsen aan te maken die je kan inzetten om de beweging van elektronen te bestuderen. In de bewoording van het Nobelprijscomité leverden ze op die manier ‘nieuwe instrumenten aan de mensheid om de wereld van elektronen in atomen en moleculen te onderzoeken’.

Favorieten

Niets menselijks is wetenschappers vreemd, dus ook fysici wagen zich wel eens aan een gokje over wie de Nobelprijs zal wegkapen. Afgelopen weekend nog plaatste het magazine Physics World zowel Fenec Krausz als Anne L’Huillier bij de absolute topfavorieten. Samen met Paul Corkum hadden ze in 2022 immers de eveneens prestigieuze Wolf Prize in Physics gewonnen.

Pierre Agostini (1942) is een Franse experimenteel natuurkundige, geboren in Tunis (Tunesië) en als professor verbonden aan de Ohio State University in de Verenigde Staten. De 61-jarige Ferenc Krausz is geboren in Hongarije. Hij is momenteel directeur van het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching en professor aan de Ludwig-Maximilians-Universität München in Duitsland.

De Franse wetenschapper Anne L’Huillier (1958) tot slot maakt als hoogleraar in de atomaire fysica deel uit van de Lund University in Zweden. Toen ze eerder vandaag college gaf, merkte ze dat ze steeds weer door hetzelfde nummer opgebeld werd. Toen ze tijdens de pauze terugbelde, vernam ze het heuglijke nieuws. ‘Het laatste half uur van mijn college was toch een beetje moeilijk voor mij’,  liet ze in een livegesprek tijdens de aankondigingsceremonie weten.

Maar waarover gaat het baanbrekend experimenteel onderzoek nu precies?

Attosecondefysica

Het werkveld van de laureaten duidt men aan als ‘attosecondefysica’. Een attoseconde is een tijdsduur die dermate kort is dat ze ons bevattingsvermogen overstijgt. Het gaat om 0,000 000 000 000 000 001 seconde. Of om het wat aanschouwelijker te maken: de verhouding tussen een attoseconde en een seconde is vergelijkbaar met die van een seconde ten opzichte van de ouderdom van het heelal.

Maar het is wel met lichtflitsen van die ultrakorte tijdsduur dat je de beweging van elektronen in atomen en moleculen kan bestuderen of hun energie-uitwisseling. Het trio laureaten toonde via experimenteel onderzoek aan dat je effectief pulsen kan genereren die slechts een aantal attoseconden duren.

Anne L’Huillier zorgde voor de cruciale doorbraak in 1987. Samen met haar collega’s toonde ze aan dat er ultrakorte pulsen ontstaan wanneer je infrarood laserlicht door een gaswolk van neon, argon of xenon jaagt. Ze bestudeerde en onderbouwde dit verder in de daaropvolgende jaren.

Haar werk stelde Agostini en Krausz in staat om onafhankelijk van elkaar specifieke technieken te ontwikkelen om dit soort lichtflitsen gecontroleerd te genereren en daarbij ook te meten hoe lang de flits aanhield. In 2001 stelde Agostini zijn techniek ‘RABBIT’ voor, die lichtflitsen van 250 attoseconden opleverde. Krausz van zijn kant stelde de techniek ‘Streaking’ voor, die het met een puls van 650 attoseconden ook meer dan voortreffelijk deed.

Hun onderling complementaire technieken vormen nog steeds de basis van de huidige technieken, die de teller na opeenvolgende verfijningen intussen op 43 attoseconden gebracht hebben.

Toepassingen

Het werk van de Nobelprijslaureaten en hun collega’s verdiept onze fundamentele kennis over de werkelijkheid, met name op subatomaire schaal. ‘We kunnen nu de deur openen naar de wereld van elektronen. Attosecondenfysica geeft ons de mogelijkheid om mechanismen te begrijpen die geregeld worden door elektronen’, aldus Eva Olsson, voorzitter van het Nobelprijscomité voor Natuurkunde.

Maar naast het fundamentele belang, ziet ze ook nuttige praktische toepassingen: ‘De volgende stap bestaat erin om deze mechanismen toe te passen’. Snellere elektronica is er een van. Kankeronderzoek een andere. Omdat attosecondefysica het mogelijk maakt om verschillen tussen individuele moleculen op te merken, kan het helpen bij de vroegtijdige opsporing van kanker in bloedmonsters, met betere prognose tot gevolg.

Wat betekent dit voor de laureaten?

De Nobelprijs winnen blijft in de eerste plaats een zaak van eer. Een hogere onderscheiding in het vakgebied bestaat er niet. De bijhorende medaille zal ongetwijfeld een mooi plekje krijgen bij elk van de winnaars. Maar ook financieel levert het een aardige duit op.

De drie wetenschappers winnen naast veel prestige, een diploma en een medaille samen ook een geldbedrag. Dat is met tien procent gestegen ten opzichte van vorig jaar en bedraagt nu  11 miljoen Zweedse kroon, of ongeveer 950.000 euro. De laureaten moeten wel nog even geduld uitoefenen. Pas op 10 december, de sterfdatum van Alfred Nobel, mogen ze hun prijs officieel in ontvangst nemen.

Sinds 1901 is er 117 keer een Nobelprijs voor de Fysica uitgereikt. Statutair zijn er maximaal drie laureaten per prijs. Tot dusver mogen 225 personen zich laureaat van de Nobelprijs Fysica noemen. Anne L’Huillier is nog maar de vijfde vrouw die de Nobelprijs Fysica in de wacht sleept. Al lijkt de inhaalbeweging stilaan ingezet: na de legendarische Marie Curie in 1903 (die in 1911 ook nog eens de Nobelprijs Chemie behaalde) en Maria Goeppert-Mayer in 1963, zitten er drie vrouwelijke laureaten in de laatste zes edities. Zo was er Donna Strickland in 2018, Andrea Ghez in 2020 en nu dus Anne L’Huillier.