Het ontstaan ​​van foto-elektronen door ionisatie is een van de meest fundamentele processen in de interactie tussen licht en materie. Nog, er blijven diepe vragen over hoe fotonen hun lineaire momentum overdragen aan elektronen. Met de eerste sub-femtoseconde studie van de lineaire foton-impulsoverdracht tijdens een ionisatieproces, ETH-natuurkundigen geven nu ongekend inzicht in de geboorte van foto-elektronen.

De interactie tussen licht en materie is de basis van zowel veel fundamentele fenomenen als verschillende praktische technologieën. Het meest bekend, in het foto-elektrisch effect, elektronen worden uitgezonden door een materiaal dat wordt blootgesteld aan licht van geschikte energie. De oorsprong van het fenomeen bleef lange tijd een raadsel, en pas met de komst van de kwantumtheorie - en dankzij het genie van Albert Einstein - werd het effect volledig begrepen. Einstein ontving in 1921 de Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn ontdekking van de onderliggende wetten, en sindsdien is het effect benut in toepassingen variërend van spectroscopie tot nachtkijkers. In enkele belangrijke gevallen kan het belangrijkste principe is de overdracht niet van energie maar van lineair momentum - of, impuls - van fotonen naar elektronen. Dit is het geval, bijvoorbeeld, wanneer laserlicht wordt gebruikt om microscopische en macroscopische objecten te koelen, of om het fenomeen stralingsdruk te begrijpen.

Ondanks het fundamentele belang van momentumoverdracht, de precieze details van hoe licht zijn impuls aan de materie doorgeeft, zijn nog steeds niet volledig begrepen. Een reden is dat de overgedragen impuls tijdens een optische cyclus extreem snel verandert, sub-femtoseconde tijdschalen. Tot dusver, studies onthulden voornamelijk informatie over tijdgemiddeld gedrag, ontbrekende tijdsafhankelijke aspecten van de lineaire impulsoverdracht tijdens foto-ionisatie. Deze leemte is nu opgevuld door de groep van Ursula Keller van het Institute for Quantum Electronics, zoals ze rapporteren in een paper dat vandaag is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Ze keken naar het geval van hoge laserintensiteiten, waarbij meerdere fotonen betrokken zijn bij het ionisatieproces, en onderzocht hoeveel momentum wordt overgedragen in de richting van laservoortplanting. Om voldoende tijdsresolutie te bereiken, ze gebruikten de zogenaamde attoclock-techniek, die het afgelopen decennium in het Keller-lab is ontwikkeld en verfijnd. Bij deze methode, attoseconde tijdresolutie wordt bereikt zonder attoseconde laserpulsen te produceren. In plaats daarvan, informatie over de roterende laserveldvector in bijna circulair gepolariseerd licht wordt gebruikt om de tijd ten opzichte van de ionisatiegebeurtenis met attoseconde precisie te meten. Zeer vergelijkbaar met de wijzer van een klok - zojuist draait deze wijzer door een volledige cirkel binnen één optische cyclus met een duur van 11,3 fs.

Met deze veelzijdige tool bij de hand, de ETH-natuurkundigen waren in staat om te bepalen hoeveel lineaire impulselektronen wonnen, afhankelijk van wanneer de foto-elektronen werden 'geboren'. Ze ontdekten dat de hoeveelheid momentum die wordt overgedragen in de voortplantingsrichting van de laser inderdaad afhangt van wanneer tijdens de oscillatiecyclus van de laser het elektron wordt 'bevrijd' van de materie, in hun geval xenon-atomen. Dit betekent dat in ieder geval voor het scenario dat ze hebben onderzocht, het tijdgemiddelde stralingsdrukbeeld is niet van toepassing. Intrigerend, ze kunnen het waargenomen gedrag vrijwel volledig reproduceren binnen een klassiek model, overwegende dat veel scenario's van interactie tussen licht en materie, zoals Compton-verstrooiing, kan alleen worden verklaard binnen een kwantummechanisch model.

Het klassieke model moest echter worden uitgebreid, om rekening te houden met de interactie tussen het uitgaande foto-elektron en het resterende xenon-ion. Deze interactie, ze laten zien in hun experimenten, induceert een extra attoseconde vertraging in de timing van de lineaire impulsoverdracht in vergelijking met de theoretische voorspelling voor een vrij elektron dat tijdens de puls wordt geboren. Of dergelijke vertragingen een algemene eigenschap van foto-ionisatie zijn of dat ze alleen van toepassing zijn op het soort scenario's dat in de huidige studie is onderzocht, blijft voorlopig open. Wat is duidelijk, echter, is dat met deze eerste studie van lineaire impulsoverdracht tijdens ionisatie op de natuurlijke tijdschaal van het proces, de Keller-groep opende een nieuwe opwindende route om de zeer fundamentele aard van licht-materie-interacties te verkennen - en zo een centrale belofte van attoseconde wetenschap waar te maken.