Forskere visualiserer kvanteeffekter i elektronbølger

En af de mest fundamentale interaktioner i fysik er elektroner og lys. I et eksperiment på Goethe Universitetet i Frankfurt er det nu lykkedes forskerne at observere det, der er kendt som Kapitza-Dirac-effekten, for første gang i fuld tidsmæssig opløsning. Denne effekt blev først postuleret for mere end 90 år siden, men først nu kommer dens fineste detaljer frem.

Det var en af ​​de største overraskelser i videnskabens historie:I kvantefysikkens tidlige dage for omkring 100 år siden opdagede forskere, at de partikler, der udgør vores stof, altid opfører sig som bølger. Ligesom lys kan spredes ved en dobbelt spalte og producere spredningsmønstre, kan elektroner også vise interferenseffekter.

I 1933 beviste de to teoretikere Piotr Kapitza og Paul Dirac, at en elektronstråle endda afledes fra en stående lysbølge (på grund af partiklernes egenskaber), og at interferenseffekter som følge af bølgeegenskaberne må forventes.

Et tysk-kinesisk hold ledet af professor Reinhard Dörner fra Goethe Universitet Frankfurt er lykkedes med at bruge denne Kapitza-Dirac-effekt til at visualisere selv den tidsmæssige udvikling af elektronbølgerne, kendt som elektronernes kvantemekaniske fase. Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Science .

"Det var en tidligere doktorgradsforsker ved vores institut, Alexander Hartung, der oprindeligt konstruerede forsøgsapparatet," siger Dörner. "Efter at han rejste, var Kang Lin, en Alexander von Humboldt-stipendiat, der arbejdede i Frankfurt-holdet i fire år, i stand til at bruge det til at måle den tidsafhængige Kapitza-Dirac-effekt." For at gøre det var det også nødvendigt at videreudvikle den teoretiske beskrivelse, da Kapitza og Dirac ikke tog den tidsmæssige udvikling af elektronfasen specifikt i betragtning på det tidspunkt.

I deres eksperiment affyrede forskerne i Frankfurt først to ultrakorte laserimpulser fra modsatte retninger mod en xenongas. Ved overgangspunktet producerede disse femtosekundimpulser - et femtosekund er en kvadrilliontedel af et sekund - et ultrastærkt lysfelt i brøkdele af et sekund. Dette rev elektroner ud af xenon-atomerne, dvs. det ioniserede dem.

Meget kort efter affyrede fysikerne et andet par korte laserimpulser mod de elektroner, der blev frigivet på denne måde, som også dannede en stående bølge i midten. Disse pulser var lidt svagere og forårsagede ikke yderligere ionisering. De var dog nu i stand til at interagere med de frie elektroner, som kunne observeres ved hjælp af et COLTRIMS reaktionsmikroskop udviklet i Frankfurt.

"På tidspunktet for interaktion kan der ske tre ting," siger Dörner. "Enten interagerer elektronen ikke med lyset - eller også er den spredt til venstre eller højre."

Ifølge kvantefysikkens love lægger disse tre muligheder sig sammen til en vis sandsynlighed, der afspejles i elektronernes bølgefunktion:Det skylignende rum, hvori elektronen – med en vis sandsynlighed – sandsynligvis befinder sig, kollapser så at sige i tredimensionelle skiver. Her er den tidsmæssige udvikling af bølgefunktionen og dens fase afhængig af, hvor lang tid der går mellem ionisering og stødmomentet af det andet par laserimpulser.

"Dette åbner op for mange spændende anvendelser inden for kvantefysik. Forhåbentlig vil det hjælpe os med at spore, hvordan elektroner forvandler sig fra kvantepartikler til helt normale partikler inden for den korteste tid. Vi planlægger allerede at bruge det til at finde ud af mere om sammenfiltringen mellem forskellige partikler, som Einstein kaldte 'uhyggelige'," siger Dörner.

Flere oplysninger: Kang Lin et al., Ultrafast Kapitza-Dirac-effekt, Science (2024). DOI:10.1126/science.adn1555

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Goethe University Frankfurt am Main