Jakten på Ångström, undulater i ringen, och ensamma elektroner på film.

Efter en intressant workshop om fysikhistoria i Strasbourg — där diskussionerna mest av allt berörde vilken publik fysikhistoriker har/bör ha och hur fysikhistorien skall anpassa sig till ett föränderligt vetenskapligt landskap (där fysiken kanske inte längre intar den ledarpositionen den hade under andra halvan av 1900-talet) — finner jag mig nu sittande på en workshop i Lund med titeln Emerging Sources som handlar om framtida ljusproducerande laboratorier, dvs nästa generationens synkrotronljuskällor. Vem som är publiken här råder det ingen tvekan om — det är helt klart inte jag — men hur forskarsamhället anpassar sig till nya tekniska landvinningar (såsom uppkomsten av frielektronlasrar med mera) är spännande och faktiskt viktiga frågor för mitt avhandlingsarbete.

Så vad för typ av nya källor kan man då få höra om här? Vi får se om jag lyckas reda ut detta. Avståndet mellan två atomer i ett fast ämne är typiskt en eller ett par ångström (10^-10 m), och det betyder (varför vet jag inte) att för att kunna framställa “bilder” av ämnets struktur och egenskaper (vilket är en typisk verksamhet vid ett synkrotronljuslabb) behöver man ha ljus med våglängd ungefär en ångström. Det betyder (grovt förenklat) att man behöver ha till relativistisk energi (mycket nära ljushastigheten) accelererade elektroner i ett vakuumrör vars bana böjs fort som tusan av ett antal magneter i en wiggler eller undulator så att partikelskuren oscillerar med en period av ungefär en ångström. Så här ser en undulator ut:

(Vakuumröret där elektronskuren far fram går där de gröna tejpen är. Denna undulator var vid fototillfället oanvänd men sitter just nu i acceleratorn MAX III och används för fulla muggar.)
Utöver rätt våglängd vill man också åstadkomma så intensivt ljus som möjligt, och man kan få det genom att låta en lite större elektronskur oscillera så att det så att säga blir mycket ljus samtidigt. Grejen är dock att man gärna vill ha så korta pulser av ljus som möjligt, och det beror på något så trivialt som att en kortare “slutartid” ger en bättre bild. Som i en kamera. För att få kortare pulser av ljus räcker inte en traditionell lagringsring utan man bygger nu så kallade frielektronlasrar både i Hamburg och i Stanford. Den som talar just nu (och vars tråd jag tappade för en kvart sedan) förklarar vad man kan förvänta sig av ljuskällor som bygger vidare på frielektronlaser-idén och som alltså kanske byggs om ett par decennier. Det är ganska kul att se och höra deras entusiasm inför vetenskapliga möjligheter som är ytterst spekulativa men icke desto mindre fascinerande. Problemet är bara att man själv måste förstå att attosekunderspulser betyder bättre röntgenbilder. Men det förstår ju jag! På olika sätt vill man kunna förminska apparaten (frielektronlasern i Stanford är flera kilometer lång) så att den blir billigare och mer lätthanterlig men ändå producerar intensivt och kortpulsigt ljus med önskvärd våglängd. Det kanske man kan i framtiden.

Genom ett sammanträffande fick jag via RSS-läsaren och EurekAlert! nu nyss reda på att två fysiker vid Brown University lyckats med att filma enskilda elektroner (mpg-länk). Ganska coolt. Visserligen vet jag hur ljusstrålen från en elektronskur på ESRF ser ut:

Men det skulle ändå vara coolt med en film där man ser pulsarna i en lagringsring av ESRF:s storlek, för där har de bland annat ett filling mode där nitton (19) ekvidistanta elektronskurar far runt i ringen i relativistisk hastighet. Slutsats: Tag omkretsen på ringen (i meter) och dividera med elektronernas hastighet (i m/s), och dividera sedan med 19, så får man tidsavståndet mellan ljuspulsarna som används vid experimentstationerna. Grovt förenklat igen givetvis, och potentiellt fullständigt felaktigt, men så går det när en enkel humanist försöker fatta något av vad som händer vid naturvetenskapens frontlinjer.