Het was een van de grootste verrassingen in de geschiedenis van de wetenschap:in de begindagen van de kwantumfysica, ongeveer honderd jaar geleden, ontdekten geleerden dat de deeltjes waaruit onze materie bestaat, zich altijd als golven gedragen. Net zoals licht zich in een dubbele spleet kan verspreiden en verstrooiingspatronen kan produceren, kunnen elektronen ook interferentie-effecten vertonen.

In 1933 bewezen de twee theoretici Piotr Kapitza en Paul Dirac dat een elektronenbundel zelfs wordt afgebogen van een staande lichtgolf (vanwege de eigenschappen van de deeltjes) en dat er interferentie-effecten als gevolg van de golfeigenschappen te verwachten zijn. P>

Een Duits-Chinees team onder leiding van professor Reinhard Dörner van de Goethe Universiteit in Frankfurt is erin geslaagd dit Kapitza-Dirac-effect te gebruiken om zelfs de temporele evolutie van de elektronengolven, bekend als de kwantummechanische fase van de elektronen, te visualiseren. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Science .

"Het was een voormalig doctoraal onderzoeker aan ons instituut, Alexander Hartung, die oorspronkelijk het experimentele apparaat bouwde", zegt Dörner. "Na zijn vertrek kon Kang Lin, een collega van Alexander von Humboldt die vier jaar in het team van Frankfurt werkte, het gebruiken om het tijdsafhankelijke Kapitza-Dirac-effect te meten." Om dit te doen was het ook nodig om de theoretische beschrijving verder te ontwikkelen, aangezien Kapitza en Dirac destijds niet specifiek rekening hielden met de temporele evolutie van de elektronenfase.

In hun experiment vuurden de wetenschappers in Frankfurt eerst twee ultrakorte laserpulsen vanuit tegengestelde richtingen af ​​op een xenongas. Op het kruispunt produceerden deze femtosecondepulsen (een femtoseconde is een biljardste van een seconde) een ultrasterk lichtveld gedurende fracties van een seconde. Dit scheurde elektronen uit de xenonatomen, dat wil zeggen, het ioniseerde ze.

Zeer kort daarna vuurden de natuurkundigen een tweede paar korte laserpulsen af ​​op de aldus vrijgekomen elektronen, die eveneens in het midden een staande golf vormden. Deze pulsen waren iets zwakker en veroorzaakten geen verdere ionisatie. Ze konden nu echter interageren met de vrije elektronen, die konden worden waargenomen met behulp van een in Frankfurt ontwikkelde COLTRIMS-reactiemicroscoop.

"Op het punt van interactie kunnen er drie dingen gebeuren", zegt Dörner. "Ofwel heeft het elektron geen interactie met het licht, ofwel wordt het naar links of naar rechts verstrooid."

Volgens de wetten van de kwantumfysica vormen deze drie mogelijkheden samen een bepaalde waarschijnlijkheid die wordt weerspiegeld in de golffunctie van de elektronen:De wolkachtige ruimte waarin het elektron zich – met een bepaalde waarschijnlijkheid – waarschijnlijk zal bevinden, stort in. , om zo te zeggen, in driedimensionale plakjes. Hier is de temporele evolutie van de golffunctie en de fase ervan afhankelijk van hoeveel tijd er verstrijkt tussen ionisatie en het moment van impact van het tweede paar laserpulsen.

"Dit opent veel opwindende toepassingen in de kwantumfysica. Hopelijk zal het ons helpen om te volgen hoe elektronen binnen de kortst mogelijke tijd transformeren van kwantumdeeltjes in volledig normale deeltjes. We zijn al van plan het te gebruiken om meer te weten te komen over de verstrengeling tussen verschillende deeltjes die Einstein ‘spookachtig’ noemde”, zegt Dörner.

Meer informatie: Kang Lin et al, Ultrafast Kapitza-Dirac-effect, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adn1555

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Goethe Universiteit Frankfurt am Main