Stark fältkvantoptik är ett snabbt framväxande forskningsämne, som kombinerar element av icke-linjär fotoemission med rötter i stark fältfysik med den väletablerade kvantoptikens väletablerade värld. Även om fördelningen av ljuspartiklar (d.v.s. fotoner) har dokumenterats i stor utsträckning både i klassiska och icke-klassiska ljuskällor, är effekten av sådana fördelningar på fotoemissionsprocesser fortfarande dåligt förstådd.
Forskare vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) och Max Planck Institute for the Science of Light satte sig nyligen för att fylla denna lucka i litteraturen, genom att utforska växelverkan mellan ljus och materia med en icke-klassisk ljuskälla. Deras artikel, publicerad i Nature Physics , visar att fotonstatistik för den drivande ljuskällan är inpräntad i elektronnummerstatistiken för emitterade elektroner från metallnålsspetsar, en observation som kan ha intressanta konsekvenser för den framtida utvecklingen av optiska enheter.
"Fältet stark fältfysik är nu högt utvecklat, vilket framgår av 2023 års Nobelpris i fysik," berättade Jonas Heimerl, medförfattare till uppsatsen och forskare vid FAU, till Phys.org. "Denna fysik är inte begränsad till atomer utan sker också på metallytor som metallnålsspetsar. Liknande utvecklat och ännu mer mångsidigt är området för kvantoptik. En aspekt av detta område är genereringen av ljus med icke-klassisk ljusstatistik, t.ex. som ett ljust sammanpressat vakuum."
Det primära syftet med den senaste forskningen av Heimerl och hans medarbetare har varit att förstå hur kvantljus som kommer från icke-klassiska ljuskällor interagerar med materia. Noterbart är att interaktionerna mellan kvantljus och materia hittills endast har utforskats med hjälp av klassiska ljuskällor.
"Vår granne professor Maria Chekhova är en världsledande expert inom området för generering av ljust sammanpressat vakuum, en speciell form av icke-klassiskt ljus", säger Peter Hommelhoff, medförfattare till tidningen och forskare vid FAU, till Phys. .org. "Vi samarbetade därför med henne och vår mångårige partner Ido Kaminer från Technion i Israel för att undersöka elektronemission som drivs med icke-klassiskt ljus."
Heimerl, Hommelhoff och deras forskargrupp vid FAU genomförde sina experiment i nära samarbete med Chekhova, en forskare med stor expertis inom kvantoptik. Chekhova är särskilt känd för sitt arbete med generering av ljust sammanpressat vakuum, en teknik som innebär användning av icke-linjära optiska processer för att generera ljust sammanpressat vakuum, en form av icke-klassiskt ljus.
"I vårt experiment använde vi denna icke-klassiska ljuskälla för att utlösa en fotoemissionsprocess från en metallnålsspets som bara är några tiotals nanometer i storlek," förklarade Heimerl. "Tänk på det som den välkända fotoelektriska effekten som studerats av Einstein, men nu med en ljuskälla som uppvisar extrema intensiteter och extrema fluktuationer inom varje laserpuls."
För varje genererad laserpuls räknade forskarna antalet elektroner, både för klassiska och icke-klassiska ljuskällor. Intressant nog fann de att antalet elektroner kan påverkas direkt av färdljuset.
"Våra fynd kan vara av stort intresse, särskilt för avbildningstillämpningar med elektroner, till exempel när det kommer till avbildning av biologiska molekyler," sa Heimerl.
Biologiska molekyler är kända för att vara mycket benägna att skadas och en minskning av dosen av elektroner som används för att avbilda dessa molekyler kan minska risken för sådan skada. Uppsatsen av Heimerl et al. föreslår att det är möjligt att modulera antalet elektroner för att möta behoven hos specifika tillämpningar.
"Innan vi kan ta itu med detta måste vi dock visa att vi också kan inpränta en annan fotonfördelning till elektroner, nämligen en med reducerat brus, vilket kan vara svårt att uppnå," sa Hommelhoff.
Resultaten av detta senaste arbete kan snart öppna nya möjligheter för forskning med fokus på stark fältkvantoptik. Samtidigt kan de fungera som grunden för nya enheter, inklusive sensorer och starkfältsoptik som utnyttjar interaktionen mellan kvantljus och elektroner.
"Vi tror att detta bara är början på att undersöka den experimentella forskningen inom detta område," tillade Heimerl. "Det pågår redan mycket teoretiskt arbete, varav en del leds av vår medförfattare Ido Kaminer. En observerbar som vi inte har undersökt ännu men som bär mycket information är elektronens energi, som skulle kunna kasta ännu mer ljus över interaktion mellan ljus och materia."
