Albert Einstein fick Nobelpriset för att förklara den fotoelektriska effekten:i sin mest intuitiva form, en enda atom bestrålas med ljus. Enligt Einstein, ljus består av partiklar (fotoner) som endast överför kvantiserad energi till atomens elektron. Om fotonens energi är tillräcklig, det slår ut elektronerna ur atomen. Men vad händer med fotons momentum i denna process? Fysiker vid Goethe -universitetet kan nu svara på denna fråga. Att göra så, de utvecklade och konstruerade en ny spektrometer med tidigare ouppnåelig upplösning.

Doktoranden Alexander Hartung blev pappa två gånger under konstruktionen av apparaten. Enheten, som är tre meter lång och 2,5 meter hög, innehåller ungefär lika många delar som en bil. Den sitter i experimenthallen i fysikbyggnaden på Riedberg Campus, omgiven av en ogenomskinlig, svart tält inuti vilket är en extremt högpresterande laser. Dess fotoner kolliderar med enskilda argonatomer i apparaten, och därigenom avlägsna en elektron från var och en av atomerna. Drivkraften för dessa elektroner vid tidpunkten för deras utseende mäts med extrem precision i ett långt rör av apparaten.

Enheten är en vidareutveckling av COLTRIMS (Collision Optical Laser Testing Reaction Interacting Momentum System) -principen som uppfanns i Frankfurt och har under tiden spridit sig över världen:den består av joniserande individuella atomer, eller bryta upp molekyler, och sedan exakt bestämma momentum för partiklarna. Dock, överföringen av fotonets momentum till elektroner som förutses av teoretiska beräkningar är så liten att det tidigare inte var möjligt att mäta den. Och det är därför Hartung byggde "super COLTRIMS."

När många fotoner från en laserpuls bombarderar en argonatom, de joniserar det. Att bryta upp atomen förbrukar delvis fotonens energi. Den återstående energin överförs till den frigjorda elektronen. Frågan om vilken reaktionspartner (elektron eller atomkärna) som bevarar fotons momentum har ockuperat fysiker i över 30 år. "Den enklaste idén är detta:så länge elektronen är fäst vid kärnan, momenten överförs till den tyngre partikeln, d.v.s. atomkärnan. Så fort det släpper loss, fotonets momentum överförs till elektronen, "förklarar Hartungs handledare, Professor Reinhard Dörner från Institutet för kärnfysik. Detta skulle vara analogt med vind som överför sin fart till seglet på en båt. Så länge seglet sitter fast, vindens fart driver båten framåt. I samma ögonblick som repen sliter, dock, vindens momentum överförs till seglet ensam.

Dock, svaret som Hartung upptäckte genom sitt experiment är - som är typiskt för kvantmekanik - mer överraskande. Elektronen får inte bara den förväntade momentum, men dessutom en tredjedel av fotonets momentum som faktiskt borde ha gått till atomkärnan. Båtens segel "vet" därför om den förestående olyckan innan sladdarna river och stjäl lite av båtens fart. För att förklara resultatet mer exakt, Hartung använder begreppet ljus som en elektromagnetisk våg:"Vi vet att elektronerna tunnlar genom en liten energibarriär. Genom att göra det, de dras bort från kärnan av laserns starka elektriska fält, medan magnetfältet överför denna extra fart till elektronerna. "

Hartung använde en smart mätinställning för experimentet. För att säkerställa att elektronens lilla extra momentum inte orsakades av misstag av en asymmetri i apparaten, han fick laserpulsen att träffa gasen från två sidor:antingen från höger eller vänster, och sedan från båda riktningarna samtidigt, vilket var den största utmaningen för mättekniken. Denna nya metod för precisionsmätning utlovar djupare förståelse för den tidigare outforskade rollen för magnetljuskomponenterna i laserljus i atomfysik.