Atomfysik, molekylfysik, optisk fysik (AMO)

(Mats Larsson och Ann-Marie Mårtensson-Pendrill , för PuF, Jan 1995)

Atom- molekyl- och optisk fysik (AMO) rör fundamentala fenomen i vår omvärld. Dess tradition som källa till information om materiens struktur är i högsta grad levande - trots att de grundläggande växelverkningarna som påverkar atomer och molekyler är väl kända. Metoder och resultat från AMO utgör också stöd för andra grenar av fysiken och ligger till grund för många mätmetoder av stor samhällelig betydelse. Sverige har sedan länge en stark ställning inom AMO.

Fundamental Växelverkan

Kvant-elektrodynamiken (QED), som beskriver växelverkan genom av utbyte av fotoner, är en av våra bäst testade teorier. Att studera högre ordnings QED termer är dock en fortsatt utmaning för såväl experiment som teori, och högt laddade joner, såsom t.ex väte-, helium- och litium-likt vismut eller uran, spelar här en viktig roll. Atomfysiken har också en viktig roll i studiet av effekter bortom QED. "Paritetsbrott" (inte ens ett så till synes symmetriskt system som en atom är riktigt lik sin spegelbild! ) uppkommer genom den svaga växelverkan. En kombination av atomfysikaliska experiment och mätningar sätter gränser på andra kombinationer av växelverkansparametrar än dem som erhålles från högenergifysik och ger en kritisk test av alternativ till den s.k. "standardmodellen" för svag växelverkan. Denna utmaning har stimulerat utvecklingen av relativt noggranna beräkningsmetoder också för tunga atomer, vilken varit möjlig genom modern datorteknologi. Atomspektroskopi, i kombination med teoretiska beräkningar ger också information om olika egenskaper hos kärnan, såsom fördelning av laddnings och magnetisk moment, och kan användas även för små mängder av t.ex. radioaktiva ämnen, vilket utnyttjats i experiment vid ISOLDE, GSI, m.fl.

Kylning, infångning, lagringsringar

Den spektakulära noggrannhet som kan erhållas genom moderna tekniker såsom kylning, fällor och lagringsringar, öppnar nya möjligheter. Experiment inom grundläggande kvantoptik illustererar och fördjupar vår förståelse av kvantmekaniken, och är ett snabbt framväxande område. Olika typer av fällor, atominterferometrar och "fontäner" kan t.ex. ge en ännu bättre frekvensstandard och kan ge en länk mellan mätningar och fundamentala naturkonstanter. "Bose-Einstein"- kondensation eftersträvas av flera grupper i världen. Kylning i lagringsringar kan ge kristallisation till en sträng av joner runt ringen.

Sverige kan glädja sig åt att CRYRING som togs i bruk för ett par år sedan nu kan uppvisa den kallaste elektronstrålen i världen. En kall stråle möjliggör naturligtvis en oerhört förbättrad energiupplösning, och har möjliggjort noggranna studier av dielektronisk och dissociativ rekombination, bl.a. för H3+ vilken är av astrofysikalisk betydelse, men där tidigare mätningar gett motstridiga resultat. Man har också kunnat lagra olika joner med samma masstal, som H2O+ och D2+, i CRYRING, och därigenom studerat processer som påverkar anrikningen av deuterium i universum.

Astrofysik och spektroskopi

Från astrofysikaliskt håll finns en stor efterfrågan på spektroskopiska data. Detta har accentuerats av mätningar med spektrometern GHRS ombord på Hubble Space Telescope (både före och efter reparationen) och Lundagruppen har här en speciell ställning. "We face the bleak prospect of attempting to analyse spectra of 1% precision, obtained at a great expense, with atomic parameters that can be inaccurate by factors of 2 to 10 if they exist at all. The GHRS will be relentless in highlighting this problem". (Leckrone et al, Physica Scipta T47 149 1993)

Spektroskopiska studier av molekyler sker över ett brett område av det elektromagnetiska spektret. Högupplösande lasrar används för att detaljstudera kortlivade kemiska reaktionsprodukter. Strålning i det ultravioletta området används för att jonisera molekyler. Genom energimätning av fotoelektroner kan molekylers elektronstruktur kartläggas. En del av denna verksamhet bedrivs idag vid MAX-lab. Atomspektroskopin utnyttjar också fusionsanläggningar (JET) där den spelar också en viktig roll för diagnostik, men också har gett intressanta resultat för att testa beräkningar på medelhögt laddade joner.

Fullerener

Spektroskopiska studier av astrofysikaliska spektrallinjer låg också bakom upptäckten av "kolfotbollarna" - fullerenerna. På några få år har studiet av fullerener, andra kolkluster och metallkluster växt till ett stort forskningsområde, med grundläggande frågeställningar om vad som händer när antalet sammanbundna atomer växer från några till tio-, hundra-, tusen-, miljontals eller ännu fler. Kluster utgör en helt ny grupp av byggstenar som funnit tillämpningar inom vitt varierande områden, som supraledning och aids-forskning.

Kvantkemi och datorer

Kvantkemin utvecklas snabbt, och möjliggör studier av reaktioner, molekyler i lösningsmedel, design av molkyler med vissa önskade egenskaper, såsom icke-linjära optiska effekter och i viss utsträckning läkemedel. Noggranna kvantkemiska beräkningar utnyttjas vid studier av mer exotiska fenomen, som myon-katalyserad fusion och för att bestämma en gräns för neutrinomassan från tritiums b-sönderfall.

Uppbyggnad av tillgänglig datorkapacitet, såväl lokalt, som nationell spetskapacitet, är väsentlig för att Sverige skall kunna behålla sin position som " a major center for theoretical calculations in atomic and molecular physics". Vi ser fram mot kommande satsningar av HPD-rådet, men dessa måste också kompletteras med goda resurser på institutions och projektnivå.

Lasrar

Lasrar i olika former ger spektroskopister möjligheter till oerhört selektiv observation, detektion och manipulation av atomer och molekyler, och en eller flera lasrar är en självklar, oumbärlig ingrediens i de experiment som diskuterats ovan.

Användingsområdet utökas ytterligare genom en utveckling mot kortare och längre våglängder, kortare pulser, högre effekter. Atomer i starka laserfält kan generera mycket höga övertoner, vilket kan leda till effektiva källor för koherent XUV och Röntgenstrålning. Detta skulle möjliggöra precisionsexperiment inom nya våglängdsområden (och därmed för nya system och övergångar) men också många viktiga industriella och medicinska tillämpningar. Korta laserpulser (femto-sekund) möjliggör studier av snabba molekylära förlopp, med tillämpningar inom fotosyntes opch undersökning av synsinnet. Genom detektion av icke-spridda strålar kan "optisk transillumination" vara ett attraktivt alternativ till "röntgenbilder". Lasercentrum i Lund deltar framgångsrikt i denna utveckling.

Småskalighet

Atomfysik kan ofta med småskaliga experiment ge viktiga bidrag till vår förståelse av fysiken och forskningen sker ofta framgångsrikt i små grupper, vilket ger en allsidig träning av forskarstudenter. Behovet av en central prioritering har inte varit så stort och forskningsinriktningen har huvudsakligen bestämts av individuella forskare i ett "peer review" system, ofta med mycket goda resultat. Vi ser emellertid också ett ökat användande av stora anläggningar, såsom lagringsringar, synkrotronljuskällor och stora lasersystem. Dessa anläggningar drivs idag med betydligt mindre personal än liknande utländska anläggningar och det är viktigt att de inte ges ett underkritiskt stöd. Samtidigt är det viktigt att se till att stödet duktiga små grupper inte utarmas!

Betydelse för andra forskningsområden och samhälle

. Vi har ovan sett exempel på hur AMO ger viktig information till andra områden inom fysik, såsom astrofysik, kärn- och partikelfysik. Atomära precisionsexperiment ligger vidare till grund för definitionen av tids och längd-skalan. Utvecklingen av teknik inom AMO har lett till en oerhört förbättring av noggrannheten i tillämpningar såsom navigation (GPS) och geofysik.

Spektroskopins möjligheter till känslig bestämning av olika ämnes förekomst utnyttjas för flera tillämpningar inom miljöområdet, såsom övervakning av växtlighet och av föroreningar i luft och vatten. Dynamiken hos den övre jordatmosfären är av kritisk betydelse för livet på jorden. Den kan endast diagnosticeras och modelleras genom en detaljerad förståelse av atomära och molekylära processer.

Känslig detektion av spårämnen kan utnyttjas t.ex. i medicinska tillämpningar och för att kontrollera kemiska tillverkningsprocesser. Med optiska pincetter kan t.ex. individuella DNA-molekyler manipuleras , vilket utnyttjas i human- genom-projektet. Erbium-dopade optiska fiberförstärkare har utvecklats mycket snabbt under de senaste åren, med oerhörd betydelse för tillämpningar inom datorteknologi och telekommunikation. En nyligen genomförd amerikansk undersökning ( Atomic Molecular and Optical Science: an Investement in the Future,, 1994) uppskattar att AMO är en viktig förutsättning för c:a 9% av BNP och är en bidragande faktor för en minst lika stor andel.

Investeringar

Under de senaste fem åren har betydande investeringar i större anläggningar av intresse för AMO fysik gjorts. I första hand gäller detta uppbyggnaden av CRYRING vid Manne Siegbahnlaboratoriet och Lasercentrum i Lund. Även MAX-lab har inslag av AMO fysik, men tyngdpunkten i verksamheten vid MAX-lab ligger tveklöst inom kondenserade materiens fysik.

Någon ny satsning av samma omfattning som CRYRING eller Lasercentrum Lund kan inte skönjas inom överskådlig framtid. Varje år redovisar de nationella forskningsanläggningarna inklusive CRYRING sina investeringsbehov till NFR. Av dessa redovisningar framgår att investeringbehoven vid CRYRING och MAX är ÊÊÊ Mkr för perioden 1995-97. Utöver investering i tung utrustning av nationellt tillgänglig karaktär, föreligger behov av en kontinuerlig förnyelse av redan tillgänglig instrumentpark, såsom lasrar, vakuumutrustning, detektorer, datorer, etc. AMO forskarsamhället eftersträvar samutnyttjande av befintlig utrustning och samordning när ansökningar om dyrbar utrustning utarbetas.

Atomic Physics in Sweden

http://www.onlineuniversity.net/earth-science/atomic-physics-resources