Forskere opdager mærkelige statistikker over elektroner, der udstødes af intenst kvantelys

Fotontalfordelinger af forskellige lyskilder er blevet undersøgt indgående. Der er dog lidt kendt om den statistiske fordeling af elektroner, der udsendes under påvirkning af intenst lys.

Forskere ved Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) og Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har nu opdaget ekstreme og højst usædvanlige statistiske hændelser i elektrontalfordelinger opnået, når metalnålespidser på nanometerstørrelse er belyst. med ultrakorte pulser af skarpt kvantelys.

Resultaterne, for nylig offentliggjort i tidsskriftet Nature Physics , bevise, at antallet af elektroner er påvirket af lysstatistikken og bidrager til en dybere forståelse af processen med elektronemission. Disse resultater vil hjælpe med at forbedre elektronmikroskoper yderligere.

I et samarbejdsprojekt er hold ledet af prof. Maria Chekhova ved MPL og prof. Peter Hommelhoff ved FAU ved at undersøge, hvordan ekstremt stærkt kvantelys kan interagere med sagen. Forskerne belyser metalnålespidser på nanometerstørrelse med pulser af klassisk lys og kvantelys. De registrerer de elektroner, der frigives fra metallet og studerer deres statistiske egenskaber.

Elektronerne udløst af klassisk lys følger en Poissonsk fordeling, hvilket betyder, at hver elektron udsendes uafhængigt af de andre. Antallet af elektroner, der udsendes under påvirkning af klassisk lys, varierer kun lidt fra puls til puls. Ved at passere til en kvantelyskilde, det såkaldte bright squeezed vacuum, som udviser kraftige fotontalssvingninger, kunne forskerne vise, at statistikken over fotoner kan overføres til elektroner.

Ved hjælp af et stærkt sammenpresset vakuum var forskerne i stand til at måle ekstreme statistiske hændelser med op til 65 elektroner fra en lysimpuls med en gennemsnitlig værdi på 0,27 elektroner pr. impuls. I tilfælde af Poisson-statistikker vil sandsynligheden for en sådan hændelse – en outlier, der overstiger middelværdien med en faktor på 240 – være så lav som 10 ^-128 . Ved at ændre antallet af tilstande for det pressede vakuum kunne forskerne skræddersy elektronnummerfordelingen efter behov.

"Vores resultater viser, at fotonstatistikker er indprentet fra drivlyset på de udsendte elektroner, hvilket åbner døren til nye sensorenheder og stærkfeltoptik med kvantelys og elektroner," siger Maria Chekhova, forskningsgruppeleder ved MPL.

For at illustrere dimensionerne med et eksempel fra hverdagen har Jonas Heimerl, FAU Ph.D. elev, forklarer:"Hvis man spreder rosiner på muffins, følger sandsynligheden for at finde et vist antal rosiner i muffins en Poisson-fordeling. Lad os antage, at der er et gennemsnit (gennemsnit) på to rosiner pr. muffin. Det kan derfor ske. at der ikke er rosiner eller fem rosiner i muffinsen, men i de fleste tilfælde vil der være to. Sandsynligheden for at få mere end 50 rosiner er dog umulig med en Poisson-fordeling."

Multi-elektron hændelser observeret i disse eksperimenter var som at finde 480 rosiner i en enkelt muffin – hvilket helt sikkert ville gøre enhver rosinelsker glad.

Flere oplysninger: Jonas Heimerl et al., Multifoton elektronemission med ikke-klassisk lys, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02472-6

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Max Planck Institute for the Science of Light