Albert Einstein ontving de Nobelprijs voor het verklaren van het foto-elektrisch effect:in zijn meest intuïtieve vorm, een enkel atoom wordt bestraald met licht. Volgens Einstein, licht bestaat uit deeltjes (fotonen) die alleen gekwantiseerde energie overdragen aan het elektron van het atoom. Als de energie van het foton voldoende is, het klopt de elektronen uit het atoom. Maar wat gebeurt er met het momentum van het foton in dit proces? Natuurkundigen van de Goethe-universiteit kunnen deze vraag nu beantwoorden. Om dit te doen, ze ontwikkelden en bouwden een nieuwe spectrometer met een voorheen onbereikbare resolutie.

Promovendus Alexander Hartung werd tijdens de bouw van het apparaat twee keer vader. Het apparaat, die drie meter lang en 2,5 meter hoog is, bevat ongeveer net zoveel onderdelen als een auto. Het staat in de experimentzaal van het Physics-gebouw op Riedberg Campus, omgeven door een ondoorzichtige, zwarte tent met daarin een extreem goed presterende laser. Zijn fotonen botsen met individuele argonatomen in het apparaat, en verwijder daardoor één elektron van elk van de atomen. Het momentum van deze elektronen op het moment van verschijnen wordt met uiterste precisie gemeten in een lange buis van het apparaat.

Het apparaat is een verdere ontwikkeling van het COLTRIMS-principe (Collision Optical Laser Testing Reaction Interacting Momentum System) dat in Frankfurt is uitgevonden en zich inmiddels over de hele wereld heeft verspreid:het bestaat uit het ioniseren van individuele atomen, of het breken van moleculen, en dan precies het momentum van de deeltjes te bepalen. Echter, de door theoretische berekeningen voorspelde overdracht van het foton-momentum naar elektronen is zo klein dat het voorheen niet mogelijk was om het te meten. En daarom bouwde Hartung de 'super COLTRIMS'.

Wanneer talrijke fotonen van een laserpuls een argonatoom bombarderen, ze ioniseren het. Het opbreken van het atoom verbruikt gedeeltelijk de energie van het foton. De resterende energie wordt overgedragen aan het vrijgekomen elektron. De vraag welke reactiepartner (elektron of atoomkern) het momentum van het foton behoudt, houdt natuurkundigen al meer dan 30 jaar bezig. "Het eenvoudigste idee is dit:zolang het elektron aan de kern vastzit, het momentum wordt overgebracht naar het zwaardere deeltje, d.w.z., de atoomkern. Zodra het losbreekt, het foton-momentum wordt overgedragen aan het elektron, " legt de supervisor van Hartung uit, Professor Reinhard Dörner van het Instituut voor Kernfysica. Dit zou analoog zijn aan de wind die zijn momentum overbrengt op het zeil van een boot. Zolang het zeil stevig vastzit, het momentum van de wind stuwt de boot naar voren. Op het moment dat de touwen scheuren, echter, het momentum van de wind wordt alleen op het zeil overgedragen.

Echter, het antwoord dat Hartung tijdens zijn experiment ontdekte, is - zoals typisch is voor de kwantummechanica - verrassender. Het elektron krijgt niet alleen het verwachte momentum, maar bovendien een derde van het foton-momentum dat eigenlijk naar de atoomkern had moeten gaan. Het zeil van de boot "weet" daarom van het dreigende ongeval voordat de koorden scheuren en steelt een beetje van het momentum van de boot. Om het resultaat nauwkeuriger uit te leggen, Hartung gebruikt het concept van licht als een elektromagnetische golf:"We weten dat de elektronen door een kleine energiebarrière tunnelen. ze worden van de kern weggetrokken door het sterke elektrische veld van de laser, terwijl het magnetische veld dit extra momentum overdraagt ​​aan de elektronen."

Hartung gebruikte een slimme meetopstelling voor het experiment. Om ervoor te zorgen dat het kleine extra momentum van het elektron niet per ongeluk werd veroorzaakt door een asymmetrie in het apparaat, hij liet de laserpuls het gas van twee kanten raken:van rechts of van links, en dan vanuit beide richtingen tegelijk, dat was de grootste uitdaging voor de meettechniek. Deze nieuwe methode van precisiemeting belooft een dieper begrip van de voorheen onontgonnen rol van de magnetische componenten van laserlicht in de atoomfysica.