For første gang har forskere været i stand til at måle kvantetilstanden for elektroner, der er udsat fra atomer, der har absorberet højenergi-lysimpulser. Dette er takket være en ny måleteknik udviklet af forskere ved Lund University i Sverige. Resultaterne kan give en bedre forståelse af samspillet mellem lys og stof.
Når højenergilys med en meget kort frekvens i det ekstreme ultraviolette eller røntgenområde interagerer med atomer eller molekyler, kan det få en elektron til at “løsrives” fra atomet og skubbes i en proces kaldet den fotoelektriske effekt. Ved at måle den udsendte elektron og dets kinetiske energi kan der fås en masse information om, at atomet bestråles. Dette er det grundlæggende princip for fotoelektronspektroskopi.
Den elektron, der udsendes, kendt som fotoelektronen, behandles ofte som en klassisk partikel. I virkeligheden er fotoelektronen et kvanteobjekt, der skal beskrives kvantet mekanisk, da det er så lille, at verden i den skala er beskrevet med hensyn til kvantemekanik. Dette betyder, at særlige regler, der anvendes i kvantemekanik, skal bruges til at beskrive fotoelektronen, fordi det ikke kun er en almindelig lille partikel, men også opfører sig som en bølge.
“Ved at måle kvantetilstanden for fotoelektronen kan vores teknik nøjagtigt tackle spørgsmålet om ‘hvor kvant er elektronet.” Det er den samme idé, der bruges i CT -scanninger, der bruges i medicin til at forestille sig hjernen: Vi rekonstruerer et komplekst 3D -objekt ved at tage flere 2D -billeder af dette objekt fra mange forskellige vinkler, ”siger David Busto, associeret seniorlektor i atomfysik og et af Forfatterne af undersøgelsen nu offentliggjort i Naturfotonik.
Dette gøres ved at fremstille fotoelektron-kvantetilstand, som svarer til 3D-objektet, der skal måles, ved ioniserende atomer med ultrashort, højenergi-lysimpulser og derefter bruge et par laserimpulser med forskellige farver til at tage 2D-billeder og rekonstruere kvantetilstandsskiven efter skive.
“Teknikken giver os mulighed for at måle for første gang kvantetilstanden for elektroner, der udsendes fra helium- og argonatomer, og demonstrerer, at fotoelektron -kvantetilstanden afhænger af den type materiale, som det udsendes,” siger Busto.
I dette interview diskuterer Busto resultaterne.
Hvorfor er disse resultater så interessante?
Den fotoelektriske effekt blev forklaret for over et århundrede siden af Einstein, der lagde grundlaget for udvikling af kvantemekanik. Dette samme fænomen blev derefter udnyttet af Kai Siegbahn til at studere, hvordan elektroner er arrangeret inde i atomer, molekyler og faste stoffer.
Paradoksalt nok er denne teknik udelukkende afhængig af at måle de klassiske egenskaber ved fotoelektronen, såsom dens hastighed. Nu, mere end 40 år efter, at Kai Siegbahn blev tildelt Nobelprisen for fotoelektronspektroskopi i 1981, er der endelig en metode, der tillader fuld karakterisering af kvanteegenskaberne for de udsendte fotoelektroner, hvilket udvider potentialet for fotoelektronspektroskopi. Især giver den nye måleteknik adgang til kvanteinformation, der ellers ikke ville være tilgængelig.
Hvordan kan disse resultater være nyttige?
Vi anvendte vores teknik til enkle atomer, Helium og Argon, som er relativt velkendte. I fremtiden kunne det bruges til at studere molekylære gasser, væsker og faste stoffer, hvor kvanteegenskaberne for fotoelektronerne kan give en masse information om, hvordan det ioniserede mål reagerer efter det pludselige tab af et elektron. At forstå denne proces på det grundlæggende niveau kan have en langsigtet indflydelse på forskellige forskningsområder. Eksempler inkluderer atmosfærisk fotokemi eller undersøgelse af lette høstsystemer, som er systemer, der indsamler og bruger lysenergi, såsom solceller eller fotosyntesen i planter.
Et andet interessant aspekt af dette arbejde er, at det broer to forskellige videnskabsområder: Attosecond Science and Spectroscopy (den slags forskning, som Nobelprisprisvinderen Anne L’Huillier udfører) på den ene side, og kvanteinformation og kvanteteknologi på den anden side hånd.
Hvordan kan denne undersøgelse være vigtig for offentligheden?
Dette arbejde er forbundet med den igangværende anden kvanterevolution, der sigter mod at manipulere individuelle kvanteobjekter (i dette tilfælde fotoelektroner) for at udnytte det fulde potentiale i deres kvanteegenskaber til forskellige applikationer. Vores kvantetilstattomografiteknik vil ikke føre til konstruktion af nye kvantecomputere, men ved at give adgang til viden om kvantetilstanden for fotoelektronerne, vil det give fysikere mulighed for fuldt ud at udnytte deres kvanteegenskaber til fremtidige applikationer.
Hvad kan opdagelsen bruges til?
Ved at måle hastigheden og emissionsretningen for fotoelektronen kan vi lære meget om materialets struktur. Dette er for eksempel vigtigt at studere egenskaberne ved nye materialer. Vores teknik giver os mulighed for at gå ud over tidligere metoder ved at måle den komplette kvantetilstand for fotoelektronen. Dette betyder, at vi kan indsamle mere information om målet, end det er muligt med traditionel fotoelektronspektroskopi. Man håber, at vores teknik kan hjælpe med at afsløre de processer, der forekommer i materialet, efter at elektronet er blevet skubbet ud.
Var der noget i de resultater, der overraskede dig?
Det mest overraskende aspekt er, at vores teknik fungerede så godt. Fysikere havde allerede forsøgt at måle kvantetilstanden for fotoelektroner ved hjælp af en anden metode, og disse eksperimenter viste, at det er meget vanskeligt. Alt skal være meget stabilt over en lang periode, men det lykkedes os endelig at opnå disse meget stabile forhold.
Hvornår vælger du at beskrive/studere ting kvante mekanisk og ikke ifølge klassisk fysik?
I den mikroskopiske skala er elektroner, atomer og molekyler beskrevet kvante mekanisk, mens de objekter, vi oplever i hverdagen i hverdagen i hverdagen, følger lovene i klassisk fysik i en makroskopisk skala. Atomer og andre mikrosystemer opfører sig ikke som hverdagsobjekter.
Med en bevidst overdrivelse kunne det siges, at de ikke eksisterer i den sædvanlige forstand, med et veldefineret punkt og med veldefineret hastighed. Det eneste, der er kendt, er output fra laboratoriernes instrumenter. Da alle makroskopiske genstande består af atomer og molekyler, der overholder kvantemekanikens love, spørger vi måske, hvorfor vi ikke ser kvanteeffekter i den makroskopiske skala.
Kort sagt, grunden er, at når vi sætter mange kvanteobjekter tæt på hinanden, begynder de at påvirke hinanden på en ukontrolleret måde og effektivt annullere deres individuelle kvanteegenskaber. Denne proces omtales som decoherence og er en af de vigtigste udfordringer, der skal overvindes for at udvikle kvanteteknologier, såsom kvantecomputere.
Elektronerne, der udsendes under den fotoelektriske effekt, indeholder en masse information om det bestrålede materiale. Ved at måle kvantetilstanden for fotoelektronen kan vores teknik nøjagtigt tackle spørgsmålet om “hvordan kvante er elektronet.” I fremtiden håber vi, at vores teknik vil give os mulighed for at følge, hvordan elektronernes kvanteegenskaber udvikler sig over tid fra kvante til klassisk.
Den nye eksperimentelle målingsteknik kaldes Kraken.