Wetenschap
Wetenschappers ontdekken vreemde statistieken over elektronen die worden uitgestoten door intens kwantumlicht
De fotongetalverdelingen van verschillende lichtbronnen zijn uitgebreid bestudeerd. Er is echter weinig bekend over de statistische verdeling van elektronen die worden uitgezonden onder invloed van intens licht.
Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht (MPL) en de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hebben nu extreme en zeer ongebruikelijke statistische gebeurtenissen ontdekt in de verdeling van elektronengetallen die worden verkregen wanneer metalen naaldpunten van nanometerformaat worden verlicht met ultrakorte pulsen van helder kwantumlicht.
De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics bewijzen dat het aantal elektronen wordt beïnvloed door de lichtstatistieken en draagt bij aan een dieper begrip van het proces van elektronenemissie. Deze bevindingen zullen helpen om elektronenmicroscopen verder te verbeteren.
In een samenwerkingsproject onderzoeken teams onder leiding van prof. Maria Chekhova van MPL en prof. Peter Hommelhoff van FAU hoe extreem sterk kwantumlicht met de materie kan interageren. De onderzoekers verlichten metalen naaldpunten van nanometerformaat met pulsen van klassiek licht en kwantumlicht. Ze detecteren de elektronen die vrijkomen uit het metaal en bestuderen hun statistische eigenschappen.
De elektronen die door klassiek licht worden geactiveerd, volgen een Poissoniaanse verdeling, wat betekent dat elk elektron onafhankelijk van de anderen wordt uitgezonden. Het aantal elektronen dat wordt uitgezonden onder invloed van klassiek licht varieert slechts in geringe mate van puls tot puls. Door over te gaan naar een kwantumlichtbron, het zogenaamde heldere geperste vacuüm, dat sterke fluctuaties in het aantal fotonen vertoont, konden de onderzoekers aantonen dat de statistieken van fotonen kunnen worden overgedragen op elektronen.
Met behulp van een helder persvacuüm konden de wetenschappers extreme statistische gebeurtenissen meten met maximaal 65 elektronen uit één lichtpuls, met een gemiddelde waarde van 0,27 elektronen per puls. In het geval van Poissoniaanse statistieken zou de waarschijnlijkheid van een dergelijke gebeurtenis (een uitbijter die het gemiddelde met een factor 240 overschrijdt) zo laag zijn als 10 -128 . Door het aantal modi van het samengedrukte vacuüm te veranderen, konden de wetenschappers de verdeling van het aantal elektronen op aanvraag aanpassen.
"Onze resultaten laten zien dat fotonenstatistieken vanuit het aandrijvende licht op de uitgezonden elektronen worden afgedrukt, waardoor de deur wordt geopend voor nieuwe sensorapparaten en sterkveldoptica met kwantumlicht en elektronen", zegt Maria Chekhova, onderzoeksgroepleider bij MPL.
Om de dimensies te illustreren met een voorbeeld uit het dagelijks leven, zei Jonas Heimerl, een FAU Ph.D. student, legt uit:"Als je rozijnen op muffins smeert, volgt de kans dat je een bepaald aantal rozijnen in de muffin aantreft een Poisson-verdeling. Laten we aannemen dat er gemiddeld (gemiddeld) twee rozijnen per muffin zijn. Het kan daarom gebeuren dat er geen rozijnen of vijf rozijnen in de muffin zitten, maar in de meeste gevallen zullen het er twee zijn. De kans op meer dan 50 rozijnen is echter onmogelijk met een Poisson-verdeling."
Multi-elektronengebeurtenissen die in deze experimenten werden waargenomen, waren als het vinden van 480 rozijnen in één enkele muffin – waar elke rozijnenliefhebber zeker blij van zou worden.