Kvantoptik med starka fält är ett snabbt växande forskningsämne som förenar element av icke-linjär fotoemission med rötter i fysik med starka fält med den väletablerade kvantoptiken. Även om fördelningen av ljuspartiklar (dvs. fotoner) har dokumenterats i stor utsträckning både i klassiska och icke-klassiska ljuskällor, är det fortfarande svårt att förstå vilken inverkan sådana fördelningar har på fotoemissionsprocesser.
Forskare vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) och Max Planck Institute for the Science of Light har nyligen försökt fylla denna lucka i litteraturen genom att undersöka interaktionen mellan ljus och materia med en icke-klassisk ljuskälla. Deras artikel, som publicerats i Nature Physics, visar att fotonstatistiken för den drivande ljuskällan präglas av elektronantalstatistiken för utsända elektroner från metallnålspetsar, en observation som kan ha intressanta konsekvenser för den framtida utvecklingen av optiska enheter.
”Området fysik för starka fält är nu mycket välutvecklat, vilket framgår av Nobelpriset i fysik 2023”, säger Jonas Heimerl, medförfattare till artikeln och forskare vid FAU, till Phys.org. ”Den här fysiken är inte begränsad till atomer utan sker också på metallytor, som nålspetsar av metall. På liknande sätt utvecklat och ännu mer mångsidigt är området kvantoptik. En aspekt av detta område är generering av ljus med icke-klassisk ljusstatistik, som t.ex. ljuspressat vakuum.”
Det primära målet med Heimerls och hans medarbetares senaste forskning har varit att förstå hur kvantljus från icke-klassiska ljuskällor interagerar med materia. Interaktionen mellan kvantljus och materia har hittills bara undersökts med hjälp av klassiska ljuskällor.
”Vår granne, professor Maria Chekhova, är en världsledande expert inom området ljusgenerering i vakuum, en särskild form av icke-klassiskt ljus”, säger Peter Hommelhoff, medförfattare till artikeln och forskare vid FAU, till Phys.org. ”Vi slog oss därför ihop med henne och vår långvariga partner Ido Kaminer från Technion i Israel för att undersöka elektronemission som drivs med icke-klassiskt ljus.”
Heimerl, Hommelhoff och deras forskargrupp vid FAU genomförde sina experiment i nära samarbete med Chekhova, en forskare med omfattande expertis inom kvantoptik. Chekhova är särskilt känd för sitt arbete med ”bright squeezed vacuum generation”, en teknik som innebär att man använder icke-linjära optiska processer för att generera ”bright squeezed vacuum”, en form av icke-klassiskt ljus.
Konstnärligt intryck av regimen med två emissioner: en icke-klassisk (lila) och en klassisk (blå) ljuskälla utlöser olinjär fotoemission från en metallnålspets, vilket leder till olika statistik för de emitterade elektronerna. Bildkredit: Meier, Heimerl | Laser Physics | FAU Erlangen.
”I vårt experiment använde vi denna icke-klassiska ljuskälla för att utlösa en fotoemissionsprocess från en metallnålspets som bara är några tiotals nanometer stor”, förklarar Heimerl. ”Tänk på det som den välkända fotoelektriska effekten som studerades av Einstein, men nu med en ljuskälla som uppvisar extrema intensiteter och extrema fluktuationer inom varje laserpuls.”
För varje laserpuls som genererades räknade forskarna antalet elektroner, både för klassiska och icke-klassiska ljuskällor. Intressant nog fann de att antalet elektroner kan påverkas direkt av det drivande ljuset.
”Våra resultat kan vara av stort intresse, särskilt för avbildningsapplikationer med elektroner, t.ex. när det gäller avbildning av biologiska molekyler”, säger Heimerl.
Biologiska molekyler är kända för att vara mycket benägna att skadas och genom att minska den dos elektroner som används för att avbilda dessa molekyler kan man minska risken för sådana skador. Artikeln av Heimerl et al. tyder på att det är möjligt att modulera antalet elektroner för att tillgodose behoven i specifika tillämpningar.
”Innan vi kan ta itu med detta måste vi dock visa att vi också kan prägla elektronerna med en annan fotonfördelning, nämligen en med minskat brus, vilket kan vara svårt att uppnå”, säger Hommelhoff.
Resultaten av detta nya arbete kan snart öppna nya möjligheter för forskning som fokuserar på kvantoptik med starka fält. Samtidigt skulle de kunna ligga till grund för nya enheter, inklusive sensorer och optik med starka fält som utnyttjar interaktionen mellan kvantljus och elektroner.
”Vi tror att detta bara är början på den experimentella forskningen inom det här området”, säger Heimerl. ”Det pågår redan mycket teoretiskt arbete, varav en del leds av vår medförfattare Ido Kaminer. Ett observandum som vi inte har undersökt ännu, men som innehåller mycket information, är elektronens energi, som kan kasta ännu mer ljus över växelverkan mellan ljus och materia.”
Ytterligare information: Jonas Heimerl et al, Multiphoton electron emission with non-classical light, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02472-6.
