Forscher erreichen elektronische Mehrphotonenemission mit nichtklassischem Licht

Die Starkfeld-Quantenoptik ist ein sich schnell entwickelndes Forschungsthema, das Elemente der nichtlinearen Photoemission, die in der Starkfeldphysik verwurzelt sind, mit dem etablierten Gebiet der Quantenoptik verbindet. Obwohl die Verteilung von Lichtteilchen (d. h. Photonen) sowohl in klassischen als auch in nichtklassischen Lichtquellen ausführlich dokumentiert wurde, ist der Einfluss solcher Verteilungen auf Photoemissionsprozesse noch wenig verstanden.

Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und des Max-Planck-Instituts für Lichtwissenschaften haben sich kürzlich vorgenommen, diese Lücke in der Literatur zu schließen, indem sie die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie mit einer nichtkonventionellen Lichtquelle erforschen. Ihr Artikel, veröffentlicht in Natürliche Physikzeigt, dass die Photonenstatistik der richtenden Lichtquelle in die Statistik der Anzahl der von den Spitzen der Metallnadeln emittierten Elektronen eingeprägt ist, eine Beobachtung, die interessante Auswirkungen auf die zukünftige Entwicklung optischer Geräte haben könnte.

„Das Gebiet der Starkfeldphysik ist mittlerweile sehr weit entwickelt, wie der Nobelpreis für Physik 2023 zeigt“, sagte Jonas Heimerl, Co-Autor der Arbeit und Forscher an der FAU, gegenüber Phys.org. „Diese Physik ist nicht auf Atome beschränkt, sondern findet auch auf metallischen Oberflächen wie den Spitzen von Metallnadeln statt. Das Gebiet der Quantenoptik ist ebenso entwickelt und noch vielfältiger. Ein Aspekt dieses Gebiets ist die Erzeugung von Licht mit nichtklassischer Lichtstatistik.“ , wie helles gepresstes Vakuum.

Das Hauptziel der neuesten Forschung von Heimerl und seinen Mitarbeitern bestand darin, zu verstehen, wie Quantenlicht aus nichtklassischen Lichtquellen mit Materie interagiert. Bemerkenswert ist, dass Wechselwirkungen zwischen Quantenlicht und Materie bisher nur mit klassischen Lichtquellen erforscht wurden.

„Unsere Nachbarin, Professorin Maria Tschechowa, ist eine weltweit anerkannte Expertin auf dem Gebiet der Erzeugung von hellem Vakuum, einer besonderen Form des nichtklassischen Lichts“, sagte Peter Hommelhoff, Co-Autor der Arbeit und Forscher an der FAU, bei Phys . .org. „Deshalb haben wir uns mit ihr und unserem langjährigen Partner Ido Kaminer vom Technion in Israel zusammengetan, um die durch nichtklassisches Licht verursachte Elektronenemission zu untersuchen.“

Heimerl, Hommelhoff und ihre Forschungsgruppe an der FAU führten ihre Experimente in enger Zusammenarbeit mit Tschechowa durch, einer Forscherin mit umfassender Expertise in der Quantenoptik. Tschechowa ist vor allem für ihre Arbeit zur Erzeugung von hellem komprimiertem Vakuum bekannt, einer Technik, bei der nichtlineare optische Prozesse eingesetzt werden, um helles komprimiertes Vakuum, eine nicht-klassische Form von Licht, zu erzeugen.

„In unserem Experiment haben wir mit dieser nicht-klassischen Lichtquelle einen Photoemissionsprozess aus einer nur wenige zehn Nanometer großen Metallnadelspitze ausgelöst“, erklärt Heimerl. „Denken Sie an den bekannten photoelektrischen Effekt, der von Einstein untersucht wurde, aber jetzt mit einer Lichtquelle, die innerhalb jedes Laserpulses extreme Intensitäten und Schwankungen aufweist.“

Für jeden erzeugten Laserpuls zählten die Forscher die Anzahl der Elektronen, sowohl bei klassischen als auch bei nichtklassischen Lichtquellen. Interessanterweise fanden sie heraus, dass die Anzahl der Elektronen direkt durch das Fernlicht beeinflusst werden kann.

„Vor allem für bildgebende Anwendungen mit Elektronen, beispielsweise bei der Abbildung biologischer Moleküle, könnten unsere Ergebnisse von großem Interesse sein“, sagte Heimerl.

Es ist bekannt, dass biologische Moleküle sehr anfällig für Schäden sind, und eine Reduzierung der Elektronendosis, die zur Abbildung dieser Moleküle verwendet wird, könnte das Risiko solcher Schäden verringern. Der Artikel von Heimerl et al. legt nahe, dass es möglich ist, die Anzahl der Elektronen zu modulieren, um den Anforderungen spezifischer Anwendungen gerecht zu werden.

„Bevor wir dieses Problem lösen können, müssen wir jedoch zeigen, dass wir den Elektronen auch eine andere Verteilung von Photonen aufprägen können, nämlich eine mit reduziertem Rauschen, was möglicherweise schwierig zu erreichen ist“, sagte Hommelhoff.

Die Ergebnisse dieser jüngsten Arbeit könnten bald neue Forschungsmöglichkeiten eröffnen, die sich auf die Hochfeld-Quantenoptik konzentrieren. Gleichzeitig könnten sie die Grundlage für neue Geräte bilden, darunter Sensoren und Starkfeldoptiken, die die Wechselwirkung zwischen Quantenlicht und Elektronen nutzen.

„Wir glauben, dass dies erst der Anfang der experimentellen Forschung auf diesem Gebiet ist“, fügte Heimerl hinzu. „Viele theoretische Arbeiten sind bereits im Gange, einige davon werden von unserem Co-Autor Ido Kaminer geleitet. Eine Observable, die wir noch nicht untersucht haben, die aber viele Informationen enthält, ist die Energie des Elektrons, die mehr Licht auf das Thema werfen könnte.“ Phänomen der Lichtmaterie.

© 2024 Science X Network