Beyond Einstein:Fysikere løser mysteriet omkring fotonets momentum

Albert Einstein modtog Nobelprisen for at forklare den fotoelektriske effekt:i sin mest intuitive form, et enkelt atom bestråles med lys. Ifølge Einstein, lys består af partikler (fotoner), der kun overfører kvantiseret energi til atomets elektron. Hvis fotonens energi er tilstrækkelig, det slår elektronerne ud af atomet. Men hvad sker der med fotonens momentum i denne proces? Fysikere ved Goethe Universitet er nu i stand til at besvare dette spørgsmål. For at gøre det, de udviklede og konstruerede et nyt spektrometer med tidligere uopnåelig opløsning.

Doktoranden Alexander Hartung blev far to gange under konstruktionen af ​​apparatet. Enheden, som er tre meter lang og 2,5 meter høj, indeholder omtrent lige så mange dele som en bil. Det sidder i forsøgshallen i fysikbygningen på Riedberg Campus, omgivet af en uigennemsigtig, sort telt indeni, som er en ekstremt højtydende laser. Dens fotoner kolliderer med individuelle argonatomer i apparatet, og derved fjerne en elektron fra hvert af atomerne. Disse elektroners momentum på tidspunktet for deres udseende måles med ekstrem præcision i et langt rør af apparatet.

Enheden er en videreudvikling af COLTRIMS (Collision Optical Laser Testing Reaction Interacting Momentum System) -princippet, der blev opfundet i Frankfurt og i mellemtiden har spredt sig over hele verden:det består af ioniserende individuelle atomer, eller at bryde molekyler op, og derefter præcist bestemmelse af partiklernes momentum. Imidlertid, overførslen af ​​fotonmomentet til elektroner forudsagt af teoretiske beregninger er så lille, at det tidligere ikke var muligt at måle det. Og det er derfor, Hartung byggede "superkOLTRIMERNE".

Når mange fotoner fra en laserpuls bombarderer et argonatom, de ioniserer det. At bryde atomet op forbruger delvist fotonens energi. Den resterende energi overføres til den frigjorte elektron. Spørgsmålet om hvilken reaktionspartner (elektron eller atomkerne), der bevarer fotonets momentum, har optaget fysikere i over 30 år. "Den enkleste idé er denne:Så længe elektronen er knyttet til kernen, momentum overføres til den tungere partikel, dvs. atomkernen. Så snart den slipper fri, fotonets momentum overføres til elektronen, "forklarer Hartungs vejleder, Professor Reinhard Dörner fra Institut for Kernefysik. Dette ville være analogt med vind, der overførte sin fremdrift til sejl på en båd. Så længe sejlet er fastgjort, vindens momentum driver båden fremad. I det øjeblik rebene revner, imidlertid, vindens momentum overføres til sejlet alene.

Imidlertid, svaret, som Hartung opdagede gennem sit eksperiment, er - som det er typisk for kvantemekanik - mere overraskende. Elektronen modtager ikke kun det forventede momentum, men derudover en tredjedel af fotonets momentum, der faktisk skulle have gået til atomkernen. Bådens sejl "kender" derfor den forestående ulykke, før snore river og stjæler lidt af bådens momentum. For at forklare resultatet mere præcist, Hartung bruger begrebet lys som en elektromagnetisk bølge:"Vi ved, at elektronerne tunnellerer gennem en lille energibarriere. Ved at gøre det, de trækkes væk fra kernen af ​​laserens stærke elektriske felt, mens magnetfeltet overfører dette ekstra momentum til elektronerne. "

Hartung brugte en smart måleopsætning til eksperimentet. For at sikre, at elektronens lille ekstra momentum ikke ved et uheld blev forårsaget af en asymmetri i apparatet, han fik laserpulsen til at ramme gassen fra to sider:enten fra højre eller venstre, og derefter fra begge retninger samtidigt, hvilket var den største udfordring for måleteknikken. Denne nye metode til præcisionsmåling lover dybere forståelse af den tidligere uudforskede rolle, som magnetiske komponenter i laserlys spiller i atomfysik.