Snurrig upptäckt ger nya insikter om fysikaliskt fenomen

En upptäckt om att fria elektroner kan röra sig asymmetriskt ger en fördjupad förståelse för en grundläggande process inom fysiken: den fotoelektriska effekten. Den beskrevs först av Albert Einstein och förklarar hur högfrekvent ljus får elektroner att släppa taget från ett material. Resultaten publiceras i Physical Review Letters.

– Publicerad den 25 september 2019

Snabba partiklar i förklarande ljus: När elektroner inte längre sitter fast i atomskalet utan rör sig fritt kan deras vågform ändras med laserljus.

– Den fotoelektriska effekten har studerats i många år och det är exalterande att plötsligt förstå hur det fungerar på ett djupare sätt, säger Marcus Dahlström, docent i matematisk fysik vid LTH, Lunds universitet som skrivit artikeln tillsammans med kollegor i Lund och på Stockholms universitet.

Det forskarna har studerat är hur en elektron, som precis slitits loss från en atom via den fotoelektriska effekten, kan ändra sin vågrörelse med hjälp av ett laserfält. Den fria elektronen kan både absorbera och emittera laserljus vilket ändrar elektronens rotation på ett asymmetriskt sätt.

För att upptäcka detta fenomen använde forskarna ultrakorta laserpulser med en tidsprecision på en attosekunds-skala, vilket är svindlande kort: 0,000000000000000001 sekunder.

Upptäckten av asymmetrin i kombination av den höga tidsupplösningen gav forskarna möjlighet att sätta elektronernas invanda beteende i gungning. Från att endast röra sig upp och ner längs laserfältet lyckades forskarna få elektronerna att utbreda sig också sidledes.

– Nu när vi förstår att det finns en asymmetri i de fria elektronernas rörelse, kan vi förstå kvantdynamiken i fotojonisationen bättre, säger David Busto, doktorand i atomfysik vid LTH.

I klassisk fysik rör sig partiklar deterministiskt från en punkt till en annan via Newtons lagar. I kontrast till detta säger kvantmekaniken att en partikel kan röra sig till flera platser samtidigt. Det senare har forskarna kunnat utnyttja:

– När vi ändrar elektronvågens riktning gör vi detta med hjälp av kvantmekaniska interferenser. Alltså, elektronen går flera vägar fram till sin ändrade vågform. Klassiskt skulle elektronen bara kunna gå en väg.


Fenomenet med de asymmetriska rörelsemönstren har både bevisats i experiment och teori. Resultaten utgår från kunskapen att elektroner ökar sina roterande rörelser då de absorberar ljus, vilket den amerikansk-italienske fysiken Ugo Fano visade för trettio år sedan.

Forskningen bedrivs med viljan att bli bättre på att kontrollera elektroner i atomer och molekyler med större noggrannhet. I förlängningen kan man tänka sig att denna, och andra grundvetenskapliga kunskaper om hur atomer och molekyler fungerar, ger möjlighet att på ett bättre sätt kontrollera reaktioner i molekyler vilket i sin tur banar väg för en effektivare kemi.  

Läs artikeln här: URL:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.123.133201
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.133201