Onderzoekers van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) en het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht hebben onlangs geprobeerd deze leemte in de literatuur op te vullen door de interacties tussen licht en materie te onderzoeken met een niet-klassieke lichtbron. Hun artikel, gepubliceerd in Nature Physics , toont aan dat fotonenstatistieken van de aandrijvende lichtbron zijn afgedrukt op de elektronenaantalstatistieken van uitgezonden elektronen uit metalen naaldpunten, een observatie die interessante implicaties zou kunnen hebben voor de toekomstige ontwikkeling van optische apparaten.

"Het veld van de sterke veldfysica is nu sterk ontwikkeld, zoals blijkt uit de Nobelprijs voor de natuurkunde van 2023", vertelde Jonas Heimerl, co-auteur van het artikel en onderzoeker bij FAU, aan Phys.org. ‘Deze natuurkunde beperkt zich niet tot atomen, maar vindt ook plaats op metalen oppervlakken zoals metalen naaldpunten. Op dezelfde manier ontwikkeld en nog diverser is het gebied van de kwantumoptica. Eén aspect van dit gebied is het genereren van licht met niet-klassieke lichtstatistieken, zoals als helder geperst vacuüm."

Het primaire doel van het nieuwste onderzoek van Heimerl en zijn medewerkers was om te begrijpen hoe kwantumlicht afkomstig van niet-klassieke lichtbronnen interageert met materie. Opvallend is dat de interacties tussen kwantumlicht en materie tot nu toe alleen zijn onderzocht met behulp van klassieke lichtbronnen.

"Onze buurman, professor Maria Tsjechova, is een toonaangevende expert op het gebied van het genereren van helder geperst vacuüm, een bijzondere vorm van niet-klassiek licht", vertelde Peter Hommelhoff, co-auteur van het artikel en onderzoeker bij FAU, aan Phys .org. "We hebben daarom samengewerkt met haar en onze oude partner Ido Kaminer van het Technion in Israël om elektronenemissie te onderzoeken die wordt aangedreven door niet-klassiek licht."

Heimerl, Hommelhoff en hun onderzoeksgroep bij FAU voerden hun experimenten uit in nauwe samenwerking met Chekhova, een onderzoeker met uitgebreide expertise in kwantumoptica. Tsjechova staat vooral bekend om haar werk op het gebied van het genereren van helder geperst vacuüm, een techniek waarbij gebruik wordt gemaakt van niet-lineaire optische processen om helder geperst vacuüm te genereren, een vorm van niet-klassiek licht.

"In ons experiment hebben we deze niet-klassieke lichtbron gebruikt om een ​​foto-emissieproces op gang te brengen vanaf een metalen naaldpunt die slechts enkele tientallen nanometers groot is", legt Heimerl uit. "Zie het als het bekende foto-elektrische effect dat Einstein heeft bestudeerd, maar nu met een lichtbron die extreme intensiteiten en extreme fluctuaties vertoont binnen elke laserpuls."

Voor elke gegenereerde laserpuls telden de onderzoekers het aantal elektronen, zowel voor klassieke als niet-klassieke lichtbronnen. Interessant genoeg ontdekten ze dat het aantal elektronen rechtstreeks kan worden beïnvloed door het rijlicht.

"Onze bevindingen zouden van enorm belang kunnen zijn, vooral voor beeldvormingstoepassingen met elektronen, bijvoorbeeld als het gaat om het in beeld brengen van biologische moleculen", aldus Heimerl.

Het is bekend dat biologische moleculen zeer gevoelig zijn voor schade en het verminderen van de dosis elektronen die wordt gebruikt om deze moleculen in beeld te brengen, zou het risico op dergelijke schade kunnen verminderen. Het artikel van Heimerl et al. suggereert dat het mogelijk is om het aantal elektronen te moduleren om aan de behoeften van specifieke toepassingen te voldoen.

"Voordat we dit kunnen aanpakken, moeten we echter laten zien dat we ook een andere fotonverdeling op elektronen kunnen indrukken, namelijk een met minder ruis, wat misschien moeilijk te bereiken is", aldus Hommelhoff.

De bevindingen van dit recente werk zouden binnenkort nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor onderzoek dat zich richt op kwantumoptica met een sterk veld. Tegelijkertijd zouden ze kunnen dienen als basis voor nieuwe apparaten, waaronder sensoren en sterkveldoptiek die gebruik maken van de interactie tussen kwantumlicht en elektronen.

"Wij denken dat dit nog maar het begin is van het onderzoeken van experimenteel onderzoek op dit gebied", voegde Heimerl eraan toe. “Er is al veel theoretisch werk gaande, waarvan een deel wordt geleid door onze co-auteur Ido Kaminer. Eén waarneembaar ding dat we nog niet hebben onderzocht, maar dat veel informatie bevat, is de energie van het elektron, die nog meer licht zou kunnen werpen op de interactie tussen licht en materie."