En ny metod använder virvlar av ljus för att göra det möjligt för forskare att observera tidigare osynliga kvanttillstånd av elektroner. Metoden har utvecklats av fysiker från Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) och ett internationellt team av forskare. Det lovar att leverera nya insikter om elektronrörelse, vilket är avgörande för att förstå materialegenskaper som elektrisk ledningsförmåga, magnetism, och molekylära strukturer. Frielektronlasern FERMI i Italien användes för att ge experimentella bevis och resultaten publicerades i tidskriften Nature Photonics .

Optiska mikroskop gav världen sin första glimt av mikrokosmos av bakterier och celler. Dock, ljusets våglängd begränsar upplösningen av dessa mikroskop. "Kvantvärlden förblir osynlig, " säger Dr Jonas Wätzel från Institutet för Fysik vid MLU, som är medlem i forskargruppen som leds av professor Jamal Berakdar. "I atomer, den rumsliga expansionen av kvantpartiklar, som elektroner, är många gånger mindre än ljusets våglängd, gör avbildning med traditionell optisk mikroskopi omöjlig."

Dock, ljus kan bära en ansenlig mängd energi. "När energin hos en foton är tillräckligt stark för att slå ut en elektron ur materialet, det kallas den fotoelektriska effekten, " förklarar Wätzel. Den här effekten förutspåddes av Einstein. Spektrometrar kan detektera egenskaperna hos den emitterade fotoelektronen. Fotoelektronspektroskopi är för närvarande det primära verktyget som används för att analysera ett material elektroniska struktur. "Många kvanttillstånd exciteras inte av fotoner och förblir därför osynliga , " förklarar Wätzel.

Tillsammans med ett internationellt team av forskare, han har utvecklat en ny metod för att förse fotoelektronen med mer information. Att göra detta, fysikerna kombinerar konventionella laserstrålar med virvlar av ljus, så kallade optiska virvlar. "Detta tvingar ljusvågorna på en spiralformad bana med ett vinkelmomentum. När de interagerar med materia, elektroner stöts ut och denna spiralformade rörelse överförs, " förklarar Wätzel. När detta kombineras med spektroskopi, tidigare osynliga egenskaper hos materialet kan upptäckas. Hur och om fotoelektronen interagerar med den vridna ljusvågen och börjar rotera sig själv, beror till stor del på materialegenskaperna.

Det mycket komplexa experimentet utfördes med fria elektronlasern FERMI, ligger i Trieste, Italien. "Det var utmärkt överensstämmelse mellan de teoretiska förutsägelserna och mätresultaten, ", säger Wätzel. "Denna spektroskopimetod banar väg för nya insikter om materiens struktur och dess interaktion med ljus. Hur en molekyl ser ut, om den roterar medurs eller moturs, om ett material kan leda elektricitet eller är magnetiskt, allt beror på den elektroniska strukturen." Metoden kan tillämpas universellt och kan användas i ett brett spektrum av tillämpningar – från medicin till elektronik och materialvetenskap.