Voor het eerst hebben onderzoekers een elektron in een bijzondere toestand gebracht die decennia geleden voorspeld werd. In deze toestand is het elektron los gemaakt van de atoomkern waar het omheen draait, maar blijft het wel in de buurt van de kern: het elektron is tegelijkertijd vrij en gebonden.
Een groep Zwitserse en Duitse natuurkundigen creëerden deze bijzondere toestand met behulp van een laser. Daarmee maakten ze een elektron los uit aantrekkende kracht van een atoomkern. Tegelijkertijd hield de bundel laserlicht het deeltje gevangen waardoor het niet helemaal kon ontsnappen.
Elektron energie
Een atoom bestaat uit een kern met protonen en neutronen. Om die kern draaien elektronen, die verschillende hoeveelheden energie kunnen hebben. Hoe meer energie, des te minder stevig een elektron verbonden is met de atoomkern. Door er met een laser op te schijnen, kunnen elektronen meer energie krijgen. Als het laserlicht krachtig genoeg is kan het elektron zich zelfs losmaken van de kern en vrij rondbewegen.
In de jaren zeventig kwam de theoreticus Walter Henneberger met een wild idee. Kan je een elektron genoeg energie geven om te ontsnappen, maar het toch om de atoomkern laten draaien? Dit zou mogelijk moeten zijn door een elektron te vangen in een laserbundel. Zo kan het deeltje in de buurt van de atoomkern gehouden worden door de laser. Het blijft dan de aantrekkingskracht van de kern voelen.
Vallei des doods
De Duitse en Zwitserse onderzoekers is het nu gelukt om deze toestand te creëren, in argon en in kryptongas. Ze doen dit door gepulseerd laserlicht door een ruimte gevuld met gas te sturen. Hierbij controleerden ze de vorm van de laserpuls heel nauwkeurig. Alleen met precies de juiste vorm puls kan een elektron namelijk gevangen gehouden worden in de laserbundel.
Dat het decennia duurde voordat het bestaan van de toestand bewezen kon worden, komt volgens Mary Matthews van de Universiteit van Genève door recente technische ontwikkelingen. ‘We ontdekten bijvoorbeeld dat oudere lasers niet snel genoeg over de zogenoemde death valley heen komen’, zegt Matthews. Dit figuurlijke dal wordt bereikt als het laserlicht zo veel energie bevat dat de wetenschappers de controle over het elektron kwijtraken. Pas bij energieën die hoger zijn, kunnen ze het elektron vangen en controleren. Een laser moet dus snel een energie bereiken die hoger is dan de death valley, zodat het elektron simpelweg geen tijd heeft om te ontsnappen.
Dankzij een nieuwe, snelle lasertechniek hadden de onderzoekers zelfs zo veel controle over elektronen dat ze de elektronenstructuur van een atoom aan konden passen. Ze bewezen dus niet alleen een decennia oud idee, ze hebben nu ook een techniek in handen om meer te leren over atoomstructuren.
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder: