För första gången har forskare kunnat mäta kvanttillståndet hos elektroner som slungas ut från atomer som absorberat högenergetiska ljuspulser. Detta tack vare en ny mätteknik som utvecklats av forskare vid Lunds universitet. Resultaten kan ge en bättre förståelse för växelverkan mellan ljus och materia.
När högenergetiskt ljus med mycket kort frekvens i det extrema ultravioletta eller röntgenområdet interagerar med atomer eller molekyler kan det leda till att en elektron ”lossnar” från atomen och kastas ut i en process som kallas den fotoelektriska effekten. Genom att mäta den utsända elektronen och dess kinetiska energi kan man få mycket information om den atom som bestrålas. Detta är den grundläggande principen för fotoelektronspektroskopi.
Den elektron som avges, den s.k. fotoelektronen, behandlas ofta som en klassisk partikel. I själva verket är fotoelektronen ett kvantobjekt som måste beskrivas kvantmekaniskt, eftersom den är så liten att världen i den skalan beskrivs i kvantmekaniska termer. Det innebär att kvantmekanikens speciella regler måste användas för att beskriva fotoelektronen, eftersom den inte bara är en vanlig liten partikel utan också beter sig som en våg.
”Genom att mäta fotoelektronens kvanttillstånd kan vår teknik ge ett exakt svar på frågan ”hur kvant är elektronen”. Det är samma idé som används i CT-skanningar som används inom medicin för att avbilda hjärnan: Vi rekonstruerar ett komplext 3D-objekt genom att ta flera 2D-bilder av det objektet från många olika vinklar”, säger David Busto, biträdande universitetslektor i atomfysik och en av författarna till studien som nu publiceras i Nature Photonics.
Detta görs genom att producera fotoelektronkvanttillståndet, som motsvarar det 3D-objekt som ska mätas, genom att jonisera atomer med ultrakorta ljuspulser med hög energi och sedan använda ett par laserpulser med olika färger för att ta 2D-bilderna och rekonstruera kvanttillståndet skiva för skiva.
”Tekniken gör det möjligt för oss att för första gången mäta kvanttillståndet hos elektroner som avges från helium- och argonatomer, vilket visar att fotoelektronens kvanttillstånd beror på vilken typ av material som den avges från”, säger Busto.
I den här intervjun diskuterar Busto resultaten.
Varför är dessa resultat så intressanta?
Den fotoelektriska effekten förklarades för över hundra år sedan av Einstein, vilket lade grunden för utvecklingen av kvantmekaniken. Samma fenomen utnyttjades sedan av Kai Siegbahn för att studera hur elektroner är ordnade inuti atomer, molekyler och fasta ämnen.
Paradoxalt nog bygger denna teknik enbart på att mäta fotoelektronens klassiska egenskaper, som t.ex. dess hastighet. Nu, mer än 40 år efter att Kai Siegbahn tilldelades Nobelpriset för fotoelektronspektroskopi 1981, finns det äntligen en metod som gör det möjligt att fullt ut karakterisera kvantegenskaperna hos de utsända fotoelektronerna, vilket utökar fotoelektronspektroskopins potential. Framför allt ger den nya mättekniken tillgång till kvantinformation som annars inte skulle vara tillgänglig.
Hur kan dessa resultat vara användbara?
Vi använde vår teknik på enkla atomer, helium och argon, som är relativt välkända. I framtiden skulle den kunna användas för att studera molekylära gaser, vätskor och fasta ämnen, där fotoelektronernas kvantegenskaper kan ge mycket information om hur det joniserade målet reagerar efter den plötsliga förlusten av en elektron. Att förstå denna process på grundläggande nivå kan ha en långsiktig inverkan på olika forskningsområden. Som exempel kan nämnas fotokemi i atmosfären eller studier av ljusinsamlingssystem, dvs. system som samlar in och utnyttjar ljusenergi, t.ex. solceller eller växternas fotosyntes.
En annan intressant aspekt av detta arbete är att det överbryggar två olika vetenskapsområden: attosekundvetenskap och spektroskopi (den typ av forskning som Nobelpristagaren Anne L’Huillier bedriver) å ena sidan, och kvantinformation och kvantteknologi å andra sidan.
Experimentella resultat som erhållits med KRAKEN-protokollet i fallet med fotojonisering av heliumatomer. Kredit: Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-024-01607-8
Hur kan denna studie vara viktig för allmänheten?
Det här arbetet är kopplat till den pågående andra kvantrevolutionen, som syftar till att manipulera enskilda kvantobjekt (i det här fallet fotoelektroner) för att utnyttja den fulla potentialen i deras kvantegenskaper för olika tillämpningar. Vår teknik för kvanttillståndstomografi kommer inte att leda till byggandet av nya kvantdatorer, men genom att ge tillgång till kunskap om fotoelektronernas kvanttillstånd kommer den att göra det möjligt för fysiker att fullt ut utnyttja deras kvantegenskaper för framtida tillämpningar.
Vad kan upptäckten användas till?
Genom att mäta fotoelektronens hastighet och emissionsriktning kan vi lära oss mycket om materialets struktur. Detta är viktigt för att t.ex. studera egenskaperna hos nya material. Vår teknik gör att vi kan gå längre än tidigare metoder genom att mäta fotoelektronens fullständiga kvanttillstånd. Detta innebär att vi kan samla in mer information om målet än vad som är möjligt med traditionell fotoelektronspektroskopi. Förhoppningen är att vår teknik ska kunna bidra till att klarlägga de processer som sker i materialet efter att elektronen har kastats ut.
Var det något i resultaten som förvånade dig?
Det mest överraskande är att vår teknik fungerade så bra. Fysiker hade redan försökt mäta fotoelektronernas kvanttillstånd med en annan metod, och de experimenten visade att det är mycket svårt. Allt måste vara mycket stabilt under lång tid, men vi lyckades till slut uppnå dessa mycket stabila förhållanden.
När väljer du att beskriva/studera saker kvantmekaniskt och inte enligt klassisk fysik?
På mikroskopisk skala beskrivs elektroner, atomer och molekyler kvantmekaniskt, medan de objekt vi upplever i vardagen på makroskopisk skala följer den klassiska fysikens lagar. Atomer och andra mikrosystem beter sig inte som vardagsföremål.
Med en medveten överdrift kan man säga att de inte existerar i vanlig mening, med en väldefinierad punkt och med väldefinierad hastighet. Det enda som är känt är vad laboratoriernas instrument ger ut. Eftersom alla makroskopiska objekt består av atomer och molekyler som följer kvantmekanikens lagar kan man fråga sig varför vi inte ser kvanteffekter på den makroskopiska skalan.
I korthet beror det på att när vi placerar många kvantobjekt nära varandra börjar de påverka varandra på ett okontrollerat sätt, vilket effektivt upphäver deras individuella kvantegenskaper. Denna process kallas dekoherens och är en av de viktigaste utmaningarna som måste övervinnas för att utveckla kvantteknik, till exempel kvantdatorer.
De elektroner som avges under den fotoelektriska effekten innehåller mycket information om det bestrålade materialet. Genom att mäta fotoelektronens kvanttillstånd kan vår teknik exakt besvara frågan ”hur kvant är elektronen”. I framtiden hoppas vi att vår teknik ska göra det möjligt för oss att följa hur elektronernas kvantegenskaper utvecklas över tiden, från kvantmekaniska till klassiska.
Den nya experimentella mättekniken kallas KRAKEN.
För mer information: Hugo Laurell et al, Measuring the quantum state of photoelectrons, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-024-01607-8
