Een nieuwe methode maakt gebruik van wervelingen van licht om onderzoekers in staat te stellen voorheen onzichtbare kwantumtoestanden van elektronen te observeren. De methode is ontwikkeld door natuurkundigen van de Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) en een internationaal team van onderzoekers. Het belooft nieuwe inzichten te geven in elektronenbeweging, wat cruciaal is voor het begrijpen van materiaaleigenschappen zoals elektrische geleidbaarheid, magnetisme, en moleculaire structuren. De vrije elektronenlaser FERMI in Italië werd gebruikt om experimenteel bewijs te leveren en de resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfotonica .

Optische microscopen gaven de wereld een eerste glimp van de microkosmos van bacteriën en cellen. Echter, de golflengte van licht beperkt de resolutie van deze microscopen. "De kwantumwereld blijft onzichtbaar, " zegt Dr. Jonas Wätzel van het Institute of Physics aan de MLU, die lid is van de onderzoeksgroep onder leiding van professor Jamal Berakdar. "In atomen, de ruimtelijke expansie van kwantumdeeltjes, zoals elektronen, is vele malen kleiner dan de golflengte van licht, het maken van beeldvorming met behulp van traditionele optische microscopie onmogelijk."

Echter, licht kan een aanzienlijke hoeveelheid energie vervoeren. "Als de energie van een foton sterk genoeg is om een ​​elektron uit het materiaal te slaan, het wordt het foto-elektrisch effect genoemd, Wätzel legt uit. Dit effect werd voorspeld door Einstein. Spectrometers kunnen de eigenschappen van het uitgezonden foto-elektron detecteren. Foto-elektronenspectroscopie is momenteel het belangrijkste hulpmiddel om de elektronische structuur van een materiaal te analyseren. "Veel kwantumtoestanden worden niet geëxciteerd door fotonen en blijven dus onzichtbaar , ', legt Wätzel uit.

Samen met een internationaal team van onderzoekers, hij heeft een nieuwe methode ontwikkeld om het foto-elektron van meer informatie te voorzien. Om dit te doen, de natuurkundigen combineren conventionele laserstralen met lichtwervelingen, zogenaamde optische wervels. "Dit dwingt de lichtgolven op een spiraalvormig pad met een impulsmoment. Wanneer ze interageren met materie, elektronen worden uitgeworpen en deze spiraalvormige beweging wordt overgedragen, " legt Wätzel uit. Wanneer dit wordt gecombineerd met spectroscopie, voorheen onzichtbare eigenschappen van het materiaal kunnen worden gedetecteerd. Hoe en of het foto-elektron interageert met de gedraaide lichtgolf en zichzelf begint te roteren, hangt grotendeels af van de materiaaleigenschappen.

Het zeer complexe experiment werd uitgevoerd met behulp van de vrije elektronenlaser FERMI, gevestigd in Triëst, Italië. "Er was een uitstekende overeenkomst tussen de theoretische voorspellingen en de meetresultaten, ", zegt Wätzel. "Deze spectroscopiemethode maakt de weg vrij voor nieuwe inzichten in de structuur van materie en haar interactie met licht. Hoe een molecuul eruit ziet, of het nu met de klok mee of tegen de klok in draait, of een materiaal elektriciteit kan geleiden of magnetisch is, alles hangt af van de elektronische structuur." de methode kan universeel worden toegepast en kan worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen - van geneeskunde tot elektronica en materiaalkunde.