Fotonnummerfördelningar av olika ljuskällor har studerats omfattande. Lite är dock känt om den statistiska fördelningen av elektroner som emitteras under inverkan av intensivt ljus.
Forskare vid Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) och Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har nu upptäckt extrema och mycket ovanliga statistiska händelser i elektronnummerfördelningar som erhålls när nanometerstora metallnålsspetsar belyses med ultrakorta pulser av starkt kvantljus.
Resultaten, nyligen publicerade i tidskriften Nature Physics , bevisa att antalet elektroner påverkas av ljusstatistiken och bidrar till en djupare förståelse av processen för elektronemission. Dessa fynd kommer att bidra till att ytterligare förbättra elektronmikroskop.
I ett samarbetsprojekt undersöker team under ledning av professor Maria Chekhova vid MPL och professor Peter Hommelhoff vid FAU hur extremt starkt kvantljus kan interagera med materien. Forskarna belyser nanometerstora metallnålsspetsar med pulser av klassiskt ljus och kvantljus. De upptäcker elektronerna som frigörs från metallen och studerar deras statistiska egenskaper.
Elektronerna som triggas av klassiskt ljus följer en Poisson-fördelning, vilket innebär att varje elektron emitteras oberoende av de andra. Antalet elektroner som emitteras under inverkan av klassiskt ljus varierar endast något från puls till puls. Genom att passera till en kvantljuskälla, det så kallade ljust pressade vakuumet, som uppvisar starka fotontalsfluktuationer, kunde forskarna visa att statistiken över fotoner kan överföras till elektroner.
Med hjälp av ett ljust sammanpressat vakuum kunde forskarna mäta extrema statistiska händelser med upp till 65 elektroner från en ljuspuls, med ett medelvärde på 0,27 elektroner per puls. När det gäller Poissonsk statistik skulle sannolikheten för en sådan händelse – en extremvärde som överstiger medelvärdet med en faktor 240 – vara så låg som 10 -128 . Genom att ändra antalet lägen för det pressade vakuumet kunde forskarna skräddarsy elektronnummerfördelningen efter behov.
"Våra resultat visar att fotonstatistik trycks in från det drivande ljuset på de emitterade elektronerna, vilket öppnar dörren till nya sensorenheter och starkfältsoptik med kvantljus och elektroner", säger Maria Chekhova, forskargruppsledare vid MPL.
För att illustrera dimensionerna med ett exempel från vardagen, Jonas Heimerl, FAU Ph.D. elev, förklarar, "Om du breder russin på muffins, följer sannolikheten att hitta ett visst antal russin i muffinsen en Poisson-fördelning. Låt oss anta att det är ett genomsnitt (medelvärde) av två russin per muffins. Det kan därför hända att det inte finns några russin eller fem russin i muffinsen, men i de flesta fall kommer det att finnas två. Sannolikheten för att få fler än 50 russin är dock omöjlig med en Poisson-fördelning."
Multi-elektronhändelser som observerades i dessa experiment var som att hitta 480 russin i en enda muffin – vilket definitivt skulle göra alla russinälskare glada.
Mer information: Jonas Heimerl et al, Multifotonelektronemission med icke-klassiskt ljus, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02472-6
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Max Planck Institute for the Science of Light
