50-årsjubileum av nobelprisupptäckt vid Uppsala universitet

Alla material är uppbyggda av atomer som i sin tur består av en kärna med positiv laddning som omges av elektroner med negativ laddning som rör sig runt kärnan. När material bildas så uppstår bindningskrafterna genom att elektronerna från olika atomer börjar röra sig mellan atomerna. Elektronerna är således det ”klister” som binder samman atomer i ett material. Det är alltså viktigt att studera hur hårt elektronerna sitter fast olika material. Det man då vill mäta är då den energi som åtgår för att slita loss en elektron. Denna kallas bindningsenergin. Kai Siegbahn fick 1981 Nobelpriset för att ha utvecklat instrument – elektronspektrometrar – som gjorde det möjligt att direkt mäta sådana energier.

För 50 år sedan lyckades man påvisa att bindningsenergierna skiftade lite för djupt liggande elektroner – innerelektroner – som rör sig väldigt nära respektive atom i en molekyl. Detta kallas för det kemiska skiftet, och upptäckten av denna effekt i elektronspektra har haft djupgående inflytande på materialfysiken, och för möjligheten att förstå avancerade materials egenskaper. Avancerade material utnyttjar vi alla dagligen numera i olika elektronikkomponenter, i solceller och i moderna batterier. Det publiceras numera över 15000 vetenskapliga artiklar varje år som baseras på mätningar med elektronspektrometerar. Huvuddelen av dessa artiklar studerar olika system genom att utnyttja det kemiska skiftet.

När Siegbahn gjorde sin upptäckt hade den Siegbahns första doktorander Carl Nordling och Evelyn Sokolowski sett "evidence" av ett kemiskt skift mellan bindningsenergin för innerelektroner på koppar;  i ren kopparmetall och i kopparoxid. Den mätningen gjordes i ett tidigt stadium av den nyutvecklade elektronspektroskopin och resultaten var osäkra och väckte inte så stor uppmärksamhet.

Men Siegbahns forskningsgrupp  upptäckte 1963 ett kemiskt skift för två olika kemiskt bundna innerelektroner på svavelatomen i molekylen natriumtiosulfat. Denna upptäckt var entydig och kunde inte förklaras av mätfel eller något sådant. Elektronbindningsenergierna för innerelektronerna för de två olika svavelatomerna visade ett kemiskt skift och Kai Siegbahn insåg omedelbart konsekvenserna av upptäckten och döpte sin nyuppfunna elektronspektroskopi till Electron Spectroscopy for Chemical Analysis (ESCA). Han erhöll, som sagt, 1981 års Nobelpris, främst för denna insats. Som exempel på hur det kemiska skiftet används idag finns ett färskt exempel:

-    En av de allra senaste avhandlingarna i kemi vid Uppsala universitet, av Sara Malmgren, utnyttjar vidareutvecklad spektroskopiteknik och kemiska skift för att förstå hur litiumjonbatterier fungerar och kan förbättras, säger professor Svante Svensson.

En session av nästa veckas konferens ”Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy” (HAXPES 2013) ägnas helt åt betydelsen av den viktiga upptäckten. Denna session börjar klockan 15 på måndagen 17 juni och äger rum I Siegbahnsalen. Evelyn Sokolowski från pionjärgruppen kommer att delta på telefon.

Konferensens hemsida har URL: http://www-conference.slu.se/haxpes2013/