Forskere realiserer multifoton elektronemission med ikke-klassisk lys

Stærk feltkvanteoptik er et hurtigt voksende forskningsemne, som fusionerer elementer af ikke-lineær fotoemission forankret i stærk feltfysik med kvanteoptikkens veletablerede rige. Mens fordelingen af ​​lyspartikler (dvs. fotoner) er blevet bredt dokumenteret både i klassiske og ikke-klassiske lyskilder, er indvirkningen af ​​sådanne fordelinger på fotoemissionsprocesser stadig dårligt forstået.

Forskere ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) og Max Planck Institute for the Science of Light har for nylig sat sig for at udfylde dette hul i litteraturen ved at udforske interaktionerne mellem lys og stof med en ikke-klassisk lyskilde. Deres papir, udgivet i Nature Physics , demonstrerer, at fotonstatistikker for den drivende lyskilde er indprentet i elektronnummerstatistikken for udsendte elektroner fra metalnålespidser, en observation, der kan have interessante konsekvenser for den fremtidige udvikling af optiske enheder.

"Fagområdet for stærk feltfysik er nu højt udviklet, som det fremgår af Nobelprisen i fysik i 2023," sagde Jonas Heimerl, medforfatter af papiret og forsker ved FAU, til Phys.org. "Denne fysik er ikke begrænset til atomer, men sker også på metaloverflader som metalnålespidser. Tilsvarende udviklet og endnu mere forskelligartet er området for kvanteoptik. Et aspekt af dette felt er generering af lys med ikke-klassiske lysstatistikker, f.eks. som et klart sammenpresset vakuum."

Det primære formål med den seneste forskning fra Heimerl og hans samarbejdspartnere har været at forstå, hvordan kvantelys, der stammer fra ikke-klassiske lyskilder, interagerer med stof. Navnlig er vekselvirkningerne mellem kvantelys og stof hidtil kun blevet udforsket ved hjælp af klassiske lyskilder.

"Vores nabo-nabo professor Maria Chekhova er en verdensførende ekspert inden for generering af lystrykt vakuum, en særlig form for ikke-klassisk lys," sagde Peter Hommelhoff, medforfatter af papiret og forsker ved FAU, til Phys. .org. "Vi gik derfor sammen med hende og vores mangeårige partner Ido Kaminer fra Technion i Israel for at undersøge elektronemission drevet med ikke-klassisk lys."

Heimerl, Hommelhoff og deres forskergruppe på FAU udførte deres eksperimenter i tæt samarbejde med Chekhova, en forsker med stor ekspertise inden for kvanteoptik. Chekhova er specifikt kendt for sit arbejde med frembringelse af lystrykt vakuum, en teknik, der indebærer brugen af ​​ikke-lineære optiske processer til at generere skarpt klemt vakuum, en form for ikke-klassisk lys.

"I vores eksperiment brugte vi denne ikke-klassiske lyskilde til at udløse en fotoemissionsproces fra en metalnålespids, der kun er et par tiere af nanometer i størrelse," forklarede Heimerl. "Tænk på det som den velkendte fotoelektriske effekt studeret af Einstein, men nu med en lyskilde, der udviser ekstreme intensiteter og ekstreme fluktuationer inden for hver laserpuls."

For hver genereret laserimpuls talte forskerne antallet af elektroner, både for klassiske og ikke-klassiske lyskilder. Interessant nok fandt de ud af, at antallet af elektroner kan påvirkes direkte af kørelyset.

"Vores resultater kan være af stor interesse, især for billeddannelsesapplikationer med elektroner, for eksempel når det kommer ned til billeddannelse af biologiske molekyler," sagde Heimerl.

Biologiske molekyler er kendt for at være meget tilbøjelige til at beskadige, og at reducere dosis af elektroner, der bruges til at afbilde disse molekyler, kan reducere risikoen for sådan skade. Papiret af Heimerl et al. antyder, at det er muligt at modulere antallet af elektroner for at imødekomme behovene for specifikke applikationer.

"Før vi kan tackle dette, er vi dog nødt til at vise, at vi også kan indprente en anden fotonfordeling til elektroner, nemlig en med reduceret støj, hvilket kan være svært at opnå," sagde Hommelhoff.

Resultaterne af dette nylige arbejde kan snart åbne nye muligheder for forskning med fokus på stærk feltkvanteoptik. Samtidig kan de tjene som grundlag for nye enheder, herunder sensorer og stærkfeltoptik, der udnytter interaktionen mellem kvantelys og elektroner.

"Vi tror, ​​at dette kun er begyndelsen på at undersøge den eksperimentelle forskning på dette område," tilføjede Heimerl. "Der foregår allerede meget teoretisk arbejde, hvoraf noget er ledet af vores medforfatter Ido Kaminer. En observerbar, vi ikke har undersøgt endnu, men som bærer meget information er elektronens energi, som kunne kaste endnu mere lys over let-stof interaktion."