Die Starkfeld-Quantenoptik ist ein sich schnell entwickelndes Forschungsthema, das Elemente der nichtlinearen Photoemission, die in der Starkfeldphysik verwurzelt sind, mit dem etablierten Bereich der Quantenoptik verbindet. Während die Verteilung von Lichtteilchen (d. h. Photonen) sowohl in klassischen als auch in nichtklassischen Lichtquellen umfassend dokumentiert ist, ist der Einfluss solcher Verteilungen auf Photoemissionsprozesse noch immer kaum verstanden.
Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts haben sich kürzlich vorgenommen, diese Lücke in der Literatur zu schließen, indem sie die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie mit einer nichtklassischen Lichtquelle untersuchten. Ihr Papier, veröffentlicht In Naturphysikzeigt, dass die Photonenstatistik der Antriebslichtquelle in die Elektronenzahlstatistik der von Metallnadelspitzen emittierten Elektronen eingeprägt ist, eine Beobachtung, die interessante Auswirkungen auf die zukünftige Entwicklung optischer Geräte haben könnte.
„Das Gebiet der Starkfeldphysik ist mittlerweile hoch 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 geschieht auch an Metalloberflächen wie Metallnadelspitzen. Ähnlich entwickelt und noch vielfältiger ist das Gebiet der Quantenoptik. Ein Aspekt dieses Gebiets ist die Erzeugung von Licht mit nichtklassischen Lichtstatistiken, wie z als helles, zusammengedrücktes 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 die Wechselwirkungen zwischen Quantenlicht und Materie bisher nur mit klassischen Lichtquellen erforscht wurden.
„Unsere Nachbarin, Professorin Maria Chekhova, ist eine weltweit führende Expertin auf dem Gebiet der Erzeugung von hellem komprimiertem Vakuum, einer besonderen Form von nichtklassischem Licht“, sagte Peter Hommelhoff, Co-Autor der Arbeit und Forscher an der FAU, gegenüber Phys .org. „Wir haben uns daher mit ihr und unserem langjährigen Partner Ido Kaminer vom Technion in Israel zusammengetan, um die durch nichtklassisches Licht angetriebene 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 Arbeiten zur Erzeugung von hellem, gequetschtem Vakuum bekannt, einer Technik, die den Einsatz nichtlinearer optischer Prozesse zur Erzeugung von hellem, gequetschtem Vakuum, einer Form von nichtklassischem Licht, beinhaltet.
„In unserem Experiment haben wir mit dieser nicht-klassischen Lichtquelle einen Photoemissionsprozess aus einer nur wenige zehn Nanometer großen Metallnadelspitze ausgelöst“, erklärt Heimerl. „Stellen Sie sich das wie den bekannten photoelektrischen Effekt vor, der von Einstein untersucht wurde, aber jetzt mit einer Lichtquelle, die extreme Intensitäten und extreme Schwankungen innerhalb jedes Laserpulses 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 Fahrlicht beeinflusst werden kann.
„Unsere Erkenntnisse könnten insbesondere für bildgebende Anwendungen mit Elektronen von großem Interesse sein, etwa wenn es um die Abbildung biologischer Moleküle geht“, 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. Die Arbeit 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 das in Angriff nehmen können, müssen wir jedoch zeigen, dass wir Elektronen auch eine andere Photonenverteilung aufprägen können, nämlich eine mit reduziertem Rauschen, was möglicherweise schwer zu erreichen ist“, sagte Hommelhoff.
Die Ergebnisse dieser jüngsten Arbeit könnten bald neue Möglichkeiten für die Forschung mit Schwerpunkt auf der Starkfeld-Quantenoptik eröffnen. Gleichzeitig könnten sie als Grundlage für neue Geräte dienen, 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. „Es gibt bereits viele theoretische Arbeiten, von denen einige von unserem Co-Autor Ido Kaminer geleitet werden. Eine Observable, die wir noch nicht untersucht haben, die aber viele Informationen enthält, ist die Energie des Elektrons, die noch mehr Licht auf das Thema werfen könnte.“ Licht-Materie-Wechselwirkung.
Mehr Informationen:
Jonas Heimerl et al, Multiphotonen-Elektronenemission mit nichtklassischem Licht, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02472-6.
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