Skapandet av fotoelektroner genom jonisering är en av de mest grundläggande processerna i samspelet mellan ljus och materia. Än, djupa frågor kvarstår om hur fotoner överför sin linjära rörelsemängd till elektroner. Med den första sub-femtosekundstudien av den linjära fotonmomentöverföringen under en joniseringsprocess, ETH-fysiker ger nu oöverträffad insikt i fotoelektronernas födelse.

Samspelet mellan ljus och materia är grunden för både många fundamentala fenomen och olika praktiska teknologier. Mest känt, i den fotoelektriska effekten, elektroner emitteras från ett material som utsätts för ljus med lämplig energi. Uppkomsten av fenomenet förblev en gåta under lång tid, och först med tillkomsten av kvantteorin – och tack vare Albert Einsteins geni – förstod man effekten fullt ut. Einstein fick 1921 Nobelpriset i fysik för sin upptäckt av de underliggande lagarna, och sedan dess har effekten utnyttjats i applikationer som sträcker sig från spektroskopi till mörkerseende. I några viktiga fall, nyckelprincipen är överföringen inte av energi utan av linjärt momentum – eller, impuls - från fotoner till elektroner. Det här är fallet, till exempel, när laserljus används för att kyla mikroskopiska och makroskopiska föremål, eller för att förstå fenomenet strålningstryck.

Trots den grundläggande betydelsen av momentumöverföring, de exakta detaljerna om hur ljus överför sin impuls till materien är fortfarande inte helt förstått. En anledning är att den överförda impulsen förändras extremt snabbt under en optisk cykel, tidsskalor under femtosekund. Än så länge, studier avslöjade främst information om tidsgenomsnittligt beteende, saknade tidsberoende aspekter av linjär-momentumöverföringen under fotojonisering. Denna lucka har nu fyllts av gruppen Ursula Keller vid Institutet för kvantelektronik, som de rapporterar i en tidning som publicerades idag i Naturkommunikation .

De tittade på fallet med höga laserintensiteter, där flera fotoner är involverade i joniseringsprocessen, och undersökte hur mycket rörelsemängd som överförs i laserns utbredningsriktning. För att uppnå tillräcklig tidsupplösning, de använde den så kallade attoklocktekniken, som har utvecklats och förfinats i Keller-labbet under det senaste decenniet. I denna metod, attosecond tidsupplösning uppnås utan att behöva producera attosecond laserpulser. Istället, information om den roterande laserfältsvektorn i nära cirkulärt polariserat ljus används för att mäta tid i förhållande till joniseringshändelsen med attosekundsprecision. Mycket lik visaren på en klocka – just nu roterar denna klockvisare genom en hel cirkel inom en optisk cykel på 11,3 fs varaktighet.

Med detta mångsidiga verktyg till hands, ETH-fysikerna kunde bestämma hur mycket linjärt momentumelektroner fick beroende på när fotoelektronerna "föddes". De fann att mängden rörelsemängd som överförs i laserns utbredningsriktning verkligen beror på när under laserns oscillationscykel elektronen "befrias" från materien, i deras fall xenonatomer. Detta betyder att åtminstone för det scenario de utforskade, bilden av det tidsgenomsnittliga stråltrycket är inte tillämplig. Spännande nog, de kan reproducera det observerade beteendet nästan helt inom en klassisk modell, medan många scenarier för interaktion mellan ljus och materia, som Compton-spridning, kan endast förklaras inom en kvantmekanisk modell.

Den klassiska modellen måste dock utökas, att ta hänsyn till interaktionen mellan den utgående fotoelektronen och den kvarvarande xenonjonen. Denna interaktion, de visar i sina experiment, inducerar en ytterligare attosekundsfördröjning i timingen av den linjära momentumöverföringen jämfört med den teoretiska förutsägelsen för en fri elektron som föds under pulsen. Huruvida sådana förseningar är en allmän egenskap hos fotojonisering eller om de endast gäller för den typ av scenarier som undersöks i den här studien är fortfarande öppet. Vad är klart, dock, är att med denna första studie av linjär momentumöverföring under jonisering på processens naturliga tidsskala, Keller-gruppen öppnade en ny spännande väg för att utforska den mycket grundläggande karaktären av ljus-materia-interaktioner – och därmed uppfylla ett centralt löfte om attosecond vetenskap.