Lys hvirvler giver indsigt i kvanteverdenen

En ny metode bruger hvirvler af lys for at sætte forskere i stand til at observere elektroniske elektroners tidligere usynlige kvantetilstande. Metoden blev udviklet af fysikere fra Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) og et internationalt team af forskere. Det lover at levere ny indsigt i elektronisk bevægelse, hvilket er afgørende for at forstå materielle egenskaber såsom elektrisk ledningsevne, magnetisme, og molekylære strukturer. Den frie elektronlaser FERMI i Italien blev brugt til at levere eksperimentelt bevis, og resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Natur fotonik .

Optiske mikroskoper gav verden sit første glimt af mikrokosmos af bakterier og celler. Imidlertid, lysets bølgelængde begrænser opløsningen af ​​disse mikroskoper. "Kvanteverdenen forbliver usynlig, "siger Dr. Jonas Wätzel fra Institut for Fysik på MLU, der er medlem af forskningsgruppen ledet af professor Jamal Berakdar. "I atomer, den rumlige ekspansion af kvantepartikler, ligesom elektroner, er mange gange mindre end lysets bølgelængde, gør billeddannelse ved hjælp af traditionel optisk mikroskopi umulig. "

Imidlertid, lys kan bære en betydelig mængde energi. "Når energien af ​​en foton er stærk nok til at slå en elektron ud af materialet, det kaldes den fotoelektriske effekt, "Wätzel forklarer. Denne effekt blev forudsagt af Einstein. Spektrometre kan registrere egenskaberne for den udsendte fotoelektron. Fotoelektronspektroskopi er i øjeblikket det primære værktøj, der bruges til at analysere et materiales elektroniske struktur." Mange kvantetilstande er ikke spændte af fotoner og forbliver dermed usynlige. , "Forklarer Wätzel.

Sammen med et internationalt team af forskere, han har udviklet en ny metode til at give fotoelektronen flere oplysninger. At gøre dette, fysikerne kombinerer konventionelle laserstråler med hvirvler af lys, såkaldte optiske hvirvler. "Dette tvinger lysbølgerne ind på en spiralformet bane med et vinkelmoment. Når de interagerer med stof, elektroner skubbes ud, og denne spiralformede bevægelse transmitteres, "Forklarer Wätzel. Når dette kombineres med spektroskopi, tidligere usynlige egenskaber ved materialet kan detekteres. Hvordan og om fotoelektronen interagerer med den snoede lysbølge og begynder at rotere sig selv, afhænger i høj grad af materialegenskaberne.

Det meget komplekse eksperiment blev udført ved hjælp af den frie elektronlaser FERMI, ligger i Trieste, Italien. "Der var fremragende overensstemmelse mellem de teoretiske forudsigelser og måleresultaterne, "siger Wätzel." Denne spektroskopimetode baner vejen for ny indsigt i stofets struktur og dets interaktion med lys. Sådan ser et molekyle ud, om den roterer med eller mod uret, om et materiale kan lede elektricitet eller er magnetisk, alt afhænger af den elektroniske struktur. "Faktisk, metoden kan anvendes universelt og kan bruges i en bred vifte af applikationer - fra medicin til elektronik og materialevidenskab.