De ontdekking dat vrije elektronen asymmetrisch kunnen bewegen, geeft een dieper begrip van een van de basisprocessen in de natuurkunde:het foto-elektrisch effect. Het werd voor het eerst beschreven door Albert Einstein en legt uit hoe hoogfrequent licht elektronen vrijmaakt uit een materiaal. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Het foto-elektrische effect is al vele jaren bestudeerd en het is heel verheffend om plotseling te begrijpen hoe het op een diepere manier werkt, " zegt Marcus Dahlström, Associate Senior Lecturer of Mathematical Physics aan de Universiteit van Lund in Zweden, die aan het artikel werkte met collega's in Lund en aan de Universiteit van Stockholm.

De onderzoekers bestudeerden hoe een elektron dat zojuist via het foto-elektrisch effect uit een atoom is vrijgekomen, zijn golfbeweging kan veranderen met behulp van een laserveld. Het vrije elektron kan laserlicht zowel absorberen als uitzenden, die de rotatie van het elektron op een asymmetrische manier verandert.

Om dit fenomeen te ontdekken, de onderzoekers gebruikten ultrakorte laserpulsen met een tijdsprecisie op een attoseconde schaal, wat verbluffend kort is:0.000000000000000001 seconden.

De ontdekking van de asymmetrie in combinatie met de hoge tijdsresolutie gaf de onderzoekers de mogelijkheid om het ingesleten gedrag van de elektronen te verstoren. Van alleen op en neer bewegen langs het laserveld, het lukte de onderzoekers om de elektronen ook zijwaarts te laten verspreiden.

"Nu we begrijpen dat er een asymmetrie is in de beweging van de vrije elektronen, we een beter begrip kunnen krijgen van de kwantumdynamiek in foto-ionisatie, " zegt David Busto, promovendus Atoomfysica aan de LTH.

In de klassieke natuurkunde deeltjes bewegen op een deterministische manier van het ene punt naar het andere via de wetten van Newton. In tegenstelling tot dit, kwantummechanica zegt dat een deeltje naar meerdere plaatsen tegelijk kan bewegen. Van dat laatste hebben de onderzoekers kunnen profiteren:

"Als we de richting van de elektronengolf veranderen, we gebruiken kwantummechanische interferentie. Dat is, het elektron neemt verschillende paden naar zijn veranderde golfvorm. In de klassieke natuurkunde kan het elektron maar één kant op."

Het fenomeen van het asymmetrische bewegingspatroon is zowel in experimenten als in theorie bewezen. De resultaten zijn gebaseerd op de kennis dat elektronen hun roterende bewegingen vergroten wanneer ze licht absorberen, iets wat de Amerikaans-Italiaanse natuurkundige Ugo Fano 30 jaar geleden aantoonde.

Het onderzoek wil elektronen in atomen en moleculen nauwkeuriger aansturen. Op de lange termijn, het is denkbaar dat deze en andere wetenschappelijke basiskennis over het functioneren van atomen en moleculen de mogelijkheid biedt om de manier waarop reacties in moleculen worden gecontroleerd, te verbeteren, wat op zijn beurt de weg kan effenen voor een effectievere chemie.