CAS prosjektet betyr at vi får ett år til fordypning i en problemstilling som krever mye fokus. Vi fritas fra andre oppgaver ved universitetet og får i tillegg midler til å invitere andre forskere som kan bidra i prosjektet i kortere eller lengre perioder gjennom året. Det er nesten en luksus-sabbatical, forklarer Bondo Pedersen.
Born og Oppenheimers tilnærming
Prosjektet Kvaal og Bondo Pedersen har fått muligheten til å fordype seg i heter: Attosecond quantum dynamics beyond the Born-Oppenheimer approximation.
For å forklare hva dette innebærer illustrerer Bondo Pedersen det slik:
De fleste figurer av atomer og molekyler viser elektronskyer med kjernene lokalisert bestemte steder. Det blir understreket at vi ikke vet hvor elektronene er, men ifølge kvantemekanikken vet vi strengt tatt heller ikke hvor kjernene er. Born og Oppenheimers forenkling handler nettopp om å lokalisere atomkjernene til kjente punkter, noe som forenkler beregningene betraktelig. Hvis vi skal begynne å regne med kjerne-skyer i tillegg til elektronskyer blir mye av matematikken og simuleringen mer vanskelig.
Studerer kvantemekanikk med laserpulser
Kvaal og Bondo Pedersen vil nå se nærmere på Born og Oppenheimers forenkling, i et tidsperspektiv som er fryktelig lite. Tidsenheten attosekunder så lite at det er den tiden lys bruker på å bevege seg en avstand tilsvarende to hydrogenatomer. Med en så fin inndeling i tid vil forskerne studere atomer og molekyler i en så høy oppløselighet i tid at alle kvantemekaniske detaljer kommer med i simuleringen.
Eksperimentelt bruker man ultrakorte laserpulser med høy intensitet og sender dem mot et atom eller molekyl for å studere kvantedynamikken til elektronene og kjernene. Alt som skjer med molekylet blir fanget opp av sensorer, og etterhvert kan man med simuleringer danne seg et bilde av hva som foregår på kvante-nivå. Både Kvaal og Bondo Pedersen har lang erfaring med å studere molekylers elektronstruktur innen rammene av Born-Oppenheimer tilnærmingen – noe som ikke lenger er mulig på grunn av den tidsavhengigheten som naturlig introduseres med bruken av ultrakorte laserpulser.
Sikter på å gjøre simuleringer enda mer nøyaktig
Grunnen til at vi gjør dette er for å vite at eksperimenter vi investerer mye penger i faktisk tolkes korrekt. Vi overser kanskje viktige fenomener på grunn av for simple simuleringsmetoder!
Bondo Pedersen forklarer videre at alle observasjoner på molekylnivå i bunn og grunn er tolkninger basert på teori og simulering. Da må vi sikre oss at simuleringsmetodene er så nøyaktige som mulig.
Simuleringene Kvaal og Bondo Pedersen skal bruke CAS-året sitt på vil forhåpentligvis føre til at vi blir sikrere på at tolkningen av nye eksperimenter med enda kraftigere lasere blir rett. Med seg på laget har de en rekke forskere innen matematikk, fysikk, og kjemi fra Europa, USA og Japan:
Prof. Reinhold Schneider, Department of Mathematics, TU Berlin.
Prof. Lars Bojer Madsen, Department of Physics and Astronomy, Aarhus University.
Prof. Ludwik Adamowicz, Department of Chemistry and Biochemistry, University of Arizona.
Assoc. Prof. Takeshi Sato, Department of Nuclear Engineering and Management, University of Tokyo.