För första gången har forskare kunnat mäta kvanttillståndet hos elektroner som kastas ut från atomer som har absorberat ljuspulser med hög energi. Detta tack vare en ny mätteknik som har utvecklats av forskare vid Lunds universitet. Detta kan ge ökad förståelse för grundläggande forskning inom den andra generationens kvantrevolution.

 När ljus med hög energi med mycket kort vågfrekvens i det extrema ultravioletta området eller röntgenområdet interagerar med atomer eller molekyler kan det få en elektron att ”lossna” från atomen och skickas ut i en process som kallas fotoelektrisk effekt. Genom att mäta ljus-materia-växelverkan och dess rörelseenergi kan man få en hel del information om atomen som bestrålats. Detta är den grundläggande principen för fotoelektronspektroskopi.

Elektronen som avges, det vill säga det som kallas fotoelektronen, behandlas ofta som en klassisk partikel. I verkligheten är fotoelektronen ett kvantobjekt som måste beskrivas kvantmekaniskt, då den är så liten att på den skalan beskrivs världen som kvantmekanik.  Detta betyder att vi måste använda speciella regler från kvantmekaniken för att beskriva fotoelektronen, eftersom den inte bara är en vanlig liten partikel utan också beter sig som en våglängd.

– Genom att mäta fotoelektronens kvanttillstånd kan vår teknik ge ett exakt svar på frågan ”hur kvantmekanisk är elektronen”. Idén är densamma som vid CT-undersökningar (datortomografi) som används inom medicinen för att avbilda hjärnan: vi rekonstruerar ett komplext 3D-objekt genom att ta flera 2D-bilder av objektet från många olika vinklar, säger David Busto, biträdande universitetslektor i atomfysik och en av författarna till studien som nu publiceras i Nature Photonics tillsammans med bland andra kollegan Hugo Laurell.

Detta görs genom att producera fotoelektronkvanttillståndet, som motsvarar det 3D-objekt som vi vill mäta, genom jonisering av atomer med ultrakorta ljuspulser med hög energi, och sedan används ett par laserpulser med olika färger för att ta 2D-bilderna och rekonstruera kvanttillståndet steg för steg.

– Mätmetoden gör det möjligt att för första gången mäta kvanttillståndet hos elektroner som avges från helium- och argonatomer, vilket visar att fotoelektronens kvanttillstånd påverkas av vilken typ av material den avges ifrån, säger David Busto.

Varför är dessa resultat så intressanta?

– Den fotoelektriska effekten förklarades för över hundra år sedan av Einstein, vilket lade grunden för utvecklingen av kvantmekaniken. Samma fenomen utnyttjades sedan av Kai Siegbahn för att studera hur elektroner är ordnade inuti atomer, molekyler och fasta ämnen.

Paradoxalt nog bygger denna teknik endast på att mäta fotoelektronens klassiska egenskaper, som exempelvis dess hastighet. Nu, mer än 40 år efter att Kai Siegbahn tilldelades Nobelpriset för fotoelektronspektroskopi 1981, har vi äntligen en metod som gör det möjligt för oss att fullt ut karakterisera kvantegenskaperna hos de utsända fotoelektronerna, vilket utökar fotoelektronspektroskopins potential. Framför allt ger den nya mätmetoden tillgång till kvantinformation som annars inte skulle vara tillgänglig.

Hur kan dessa resultat vara användbara?

– Vi tillämpade vår teknik på enkla atomer, helium och argon, som är relativt välkända. I framtiden skulle den kunna användas för att studera molekylära gaser, vätskor och fasta ämnen, där fotoelektronernas kvantegenskaper kan ge mycket information om hur det joniserade målet reagerar efter den plötsliga förlusten av en elektron. Att förstå denna process på en grundläggande nivå kan på lång sikt ha betydelse för olika forskningsområden. Det kan till exempelvis handla om fotokemi i atmosfären eller studier av ljusinsamlingssystem, som är system som samlar in och utnyttjar ljusenergi, såsom solceller eller fotosyntes i växter.

En annan intressant aspekt av detta arbete är att det bygger en bro mellan två olika vetenskapsområden: attosekundvetenskap och spektroskopi (forskning av det slag nobelpristagaren Anne L’Huillier sysslar med) å ena sidan och kvantinformation och kvantteknik å andra sidan.

På vilket sätt kan denna studie vara viktig för allmänheten?

– Det här arbetet är kopplat till den pågående andra kvantrevolutionen som syftar till att manipulera enskilda kvantobjekt (i detta fall fotoelektroner) för att utnyttja den fulla potentialen i deras kvantegenskaper för olika tillämpningar. Vår teknik för kvanttillståndstomografi kommer inte att leda till att man bygger nya kvantdatorer, men genom att ge tillgång till kunskap om fotoelektronernas kvanttillstånd kommer fysikerna att kunna utnyttja deras kvantegenskaper fullt ut i framtida tillämpningar. 

Vad kan man kan använda upptäckten till?

– Genom att mäta fotoelektronens hastighet och emissionsriktning kan vi lära oss mycket om materialets struktur. Detta är viktigt, exempelvis för att studera egenskaperna hos nya material. Vår teknik gör det möjligt att gå längre än tidigare metoder genom att mäta fotoelektronens fullständiga kvanttillstånd. Detta innebär att vi kan samla in mer information om målet än vad som är möjligt med traditionell fotoelektronspektroskopi.  Förhoppningen är att vår teknik kan hjälpa till att reda ut de processer som sker i materialet efter att elektronen har kastats ut.

Var det något i resultaten som förvånade dig?

– Det mest förvånande är att vår teknik fungerade så bra! Fysiker har redan försökt mäta fotoelektronernas kvanttillstånd med en annan metod, och de experimenten visade att det är mycket svårt. Allt måste vara mycket stabilt under en lång tidsperiod, men vi lyckades till slut uppnå dessa mycket stabila förhållanden.

Artikeln i Nature Photonics: https://www.nature.com/articles/s41566-024-01607-8

Fakta
När väljer man att beskriva/studera saker kvantmekaniskt och inte enligt den klassiska fysiken?

På den mikroskopiska skalan beskrivs elektroner, atomer och molekyler kvantmekaniskt, medan den makroskopiska   skalan, som vi upplever i vardagen, följer den klassiska fysikens lagar. Atomer och andra mikrosystem uppför sig inte som föremål i vardagen. Med en avsiktlig överdrift skulle det kunna sägas att de inte existerar i vanlig mening med en väldefinierad punkt och med väldefinierad hastighet. Det enda man vet något om är utslagen i laboratoriernas instrument. Eftersom alla makroskopiska objekt är uppbyggda av atomer och molekyler som följer kvantmekanikens lagar, kan man fråga sig varför vi inte ser kvanteffekter på makroskopisk skala.

I korthet är orsaken att när vi placerar många kvantobjekt nära varandra börjar de påverka varandra på ett okontrollerat sätt, vilket effektivt utraderar deras individuella kvantegenskaper. Den här processen kallas dekoherens och är en av de viktigaste utmaningarna som måste övervinnas för att man ska kunna utveckla kvantteknik, som kvantdatorer.

De elektroner som emitteras vid fotoeffekt innehåller mycket information om det bestrålade materialet. Genom att mäta fotoelektronens kvanttillstånd kan vår teknik ge ett exakt svar på frågan ”hur kvantmekanisk är elektronen”. I framtiden hoppas vi att vår teknik ska göra det möjligt för oss att följa hur elektronernas kvantegenskaper utvecklas i tiden, från kvantmekaniska till klassiska.

Den nya experimentella mättekniken kallas KRAKEN.

Fakta:
Foton, fotoelektron och fotoelektrisk effekt

En foton är inte en partikel i ”vanlig” mening. En foton är ljusets och det elektromagnetiska fältets minsta energikvantum, en så kallad kraftförmedlande elementarpartikel.

En fotoelektron är en elektron som slås ut ur en atom eller molekyl när denna träffas av en foton.

Den fotoelektriska effekten (fotoeffekt) innebär att elektroner emitteras från ett material när detta utsätts för elektromagnetisk strålning (fotoner). Einsteins förklaring av fotoeffekten från 1905 innebar en brytning med den klassiska fysikens synsätt, enligt vilket den energi som den elektromagnetiska vågen för med sig borde fördelas jämnt över hela det bestrålade materialet. Därför borde en ökning av ljusintensiteten leda till att de emitterade elektronerna fick högre kinetisk energi. Men ljusets intensitet påverkar inte denna, utan det är ljusets frekvens som avgör om en fotoelektrisk effekt är möjlig eller inte. För varje material fanns en gränsfrekvens hos strålningen som avgör om det sker en elektronemission eller inte.

För mer information, kontakta: David Busto, david.busto@fysik.lth.se

Lunds universitet grundades 1666 och rankas återkommande som ett av världens främsta lärosäten. Här finns cirka 47 000 studenter och drygt 8 800 medarbetare i Lund, Helsingborg och Malmö. Vi förenas i vår strävan att förstå, förklara och förbättra vår värld och människors villkor. Prenumera på vårt nyhetsbrev Apropå! där några av våra drygt 5 000 forskare kommenterar aktuella händelser: https://www.lu.se/kategori/nyhetsbrevet-apropa