Kai Siegbahn – Nobelpristagare och pionjär inom elektronspektroskopi

Kai Siegbahn, cirka år 1970.

Kai Siegbahn (1918–2007) tilldelades Nobelpriset i fysik 1981 för sina bidrag till utvecklingen av högupplösande elektronspektroskopi.
Han studerade fysik, matematik och kemi vid Uppsala universitet och blev senare professor i fysik vid universitetet.
Hans forskning började inom kärnfysiken men kom att leda till en helt ny metod för att undersöka atomers och molekylers kemiska egenskaper.
Tillsammans med sina medarbetare utvecklade han elektronspektroskopin för kemisk analys, ESCA, som i dag är en etablerad metod inom bland annat materialvetenskap och kemi.
Kai Siegbahns forskning lever vidare vid Uppsala universitet, bland annat genom ett laboratorium för röntgenfotoelektronspektroskopi och en föreläsningssal som bär hans namn.

Från student i Uppsala till professor

Kai Siegbahn föddes i Lund 1918 som son till fysikern Manne Siegbahn, som själv fick Nobelpriset i fysik 1924. Efter gymnasiet i Uppsala började Kai Siegbahn 1936 studera fysik, matematik och kemi vid Uppsala universitet. Han fortsatte sina studier och sin forskning i Stockholm och disputerade 1944 på en avhandling om betaspektroskopi. Åren 1942–1951 arbetade han vid Nobelinstitutet för fysik och blev 1951 professor vid Kungliga Tekniska högskolan i Stockholm. Tre år senare återvände han till Uppsala som professor i fysik.

Det var ett forskningsområde i snabb utveckling. Kärnfysiken stod i centrum för mycket av den internationella fysikforskningen och Siegbahn utvecklade instrument som kunde mäta energin hos elektroner med allt större precision. Hans arbete omfattade bland annat beta- och gammaspektroskopi, elektronoptik och olika former av kärnfysikaliska mätningar.

Jakten på den perfekta spektrometern

En central fråga för Kai Siegbahn var hur man skulle kunna mäta elektronernas energier med både hög upplösning och tillräckligt hög känslighet. Det krävde instrument som var betydligt mer avancerade än de som fanns tillgängliga.

Tillsammans med sina medarbetare utvecklade han nya elektronspektrometrar med mycket hög precision. Redan 1955 byggde Siegbahn, Carl Nordling och Evelyn Sokolowski en spektrometer med en då häpnadsväckande upplösning. Instrumentet var resultatet av ett omfattande arbete med bland annat magnetfält, detektorer och vakuumteknik.

Den nya tekniken gjorde det möjligt att studera elektroner som frigörs när ett ämne träffas av röntgenstrålning. Genom att mäta elektronernas energi kunde forskarna dra slutsatser om atomernas elektroniska struktur. Metoden gjorde det också möjligt att upptäcka något som skulle bli avgörande: elektronernas energinivåer påverkas av den kemiska miljö som atomerna befinner sig i.

Fixersalt avslöjade ett nytt kemiskt fenomen

Ett av de viktigaste stegen mot Siegbahns Nobelpris togs en söndagskväll hösten 1963. Fysikerna Stig Hagström och Carl Nordling arbetade med mätningar men hade fått slut på de kemiska föreningar de använde i experimenten. Kemiförrådet var låst, så Hagström gick i stället till mörkrummet och hämtade natriumtiosulfat – vanligt fotografiskt fixersalt.

När de körde fixersaltet i sin högupplösande spektrometer fick de ett oväntat resultat: i stället för en enda topp i spektrumet framträdde två. Förklaringen var att elektroner från atomer av samma grundämne hade olika bindningsenergier beroende på vilken kemisk omgivning atomerna befann sig i.

Resultatet blev betydelsefullt. Fenomenet som de hade upptäckt kallas kemiskt skift – chemical shift. Det innebar att elektronspektroskopi kunde användas för att analysera kemisk bindning – inte bara för att bestämma atomernas energinivåer.

Upptäckten gav Kai Siegbahns forskning en ny riktning. Metoden utvecklades till Electron Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA, och blev ett kraftfullt sätt att undersöka atomers kemiska miljö. I slutet av 1960-talet sammanfattade Siegbahn och hans medarbetare resultaten i de två omfattande ESCA-böckerna, som fick stor betydelse för den fortsatta utvecklingen av elektronspektroskopin.

Nobelpriset 1981

Arbetet i Uppsala väckte snabbt internationell uppmärksamhet. Elektronspektroskopin kunde användas för att studera atomer, molekyler och fasta material och gav forskare ett nytt sätt att undersöka vad som händer på atomnivå. Under 1970-talet breddades användningen ytterligare, bland annat genom användning av synkrotronljus som källa för fotoelektronspektroskopin.

1981 tilldelades Kai Siegbahn halva Nobelpriset i fysik ”för hans bidrag till utvecklingen av den högupplösande elektronspektroskopien”. Den andra hälften delades mellan Nicolaas Bloembergen och Arthur Schawlow för deras insatser inom laser- och laserspektroskopi. Siegbahn var vid prisutdelningen professor vid Uppsala universitet.

Nobelpriset blev därmed också ett erkännande av den forskningsmiljö som hade byggts upp i Uppsala. Fysikinstitutionen hade blivit en internationell samlingspunkt för elektronspektroskopi, och forskare från många länder kom till Uppsala för att arbeta med de instrument och metoder som utvecklats där.

Kai Siegbahn och Uppsala universitet idag

Kai Siegbahn gick i pension som professor 1984, men fortsatte att vara aktiv vid Uppsala universitet. Han var fortfarande verksam vid Ångströmlaboratoriet under sina sista år och avled 2007.

Hans vetenskapliga arv är högst konkret. Vid Uppsala universitet används fortfarande röntgenfotoelektronspektroskopi, XPS, och den mer energirika varianten HAXPES för att undersöka ytor och gränsskikt i material. Metoderna används bland annat för att förstå material för energiomvandling och energilagring. Vid det nuvarande Kai Siegbahn-laboratoriet studeras exempelvis batterimaterial, korrosion och materialens ytor och gränsskikt.

Namnet Siegbahn lever också kvar vid Ångströmlaboratoriet genom Siegbahnsalen. Den stora föreläsningssalen invigdes under detta namn som en hyllning till Manne och Kai Siegbahn och används för undervisning, konferenser och vetenskapliga föreläsningar.