En av de mest grundläggande interaktionerna inom fysiken är elektroner och ljus. I ett experiment vid Goethe-universitetet i Frankfurt har forskare nu för första gången lyckats observera vad som kallas Kapitza-Dirac-effekten i full tidsupplösning. Denna effekt antogs först för mer än 90 år sedan, men först nu kommer dess finaste detaljer fram.
Det var en av de största överraskningarna i vetenskapens historia:I kvantfysikens tidiga dagar för cirka 100 år sedan upptäckte forskare att partiklarna som utgör vår materia alltid beter sig som vågor. Precis som ljus kan spridas vid en dubbel slits och producera spridningsmönster, kan elektroner också visa interferenseffekter.
1933 bevisade de två teoretikerna Piotr Kapitza och Paul Dirac att en elektronstråle till och med diffrakteras från en stående ljusvåg (på grund av partiklarnas egenskaper) och att interferenseffekter som ett resultat av vågegenskaperna är att förvänta.
Ett tysk-kinesiskt team under ledning av professor Reinhard Dörner från Goethe-universitetet i Frankfurt har lyckats använda denna Kapitza-Dirac-effekt för att visualisera till och med den tidsmässiga utvecklingen av elektronvågorna, känd som elektronernas kvantmekaniska fas. Studien är publicerad i tidskriften Science .
– Det var en före detta doktorandforskare vid vårt institut, Alexander Hartung, som ursprungligen konstruerade experimentapparaten, säger Dörner. "Efter att han lämnade kunde Kang Lin, en Alexander von Humboldt-stipendiat som arbetade i Frankfurt-teamet i fyra år, använda det för att mäta den tidsberoende Kapitza-Dirac-effekten." För att göra det var det nödvändigt att vidareutveckla den teoretiska beskrivningen också, eftersom Kapitza och Dirac inte specifikt tog hänsyn till elektronfasens tidsmässiga utveckling vid den tiden.
I sitt experiment avfyrade forskarna i Frankfurt först två ultrakorta laserpulser från motsatta riktningar mot en xenongas. Vid övergångspunkten producerade dessa femtosekundpulser - en femtosekund är en kvadriljondels sekund - ett ultrastarkt ljusfält under bråkdelar av en sekund. Detta slet ut elektroner ur xenonatomerna, dvs det joniserade dem.
Mycket kort därefter avfyrade fysikerna ett andra par korta laserpulser mot elektronerna som frigjordes på detta sätt, som också bildade en stående våg i mitten. Dessa pulser var något svagare och orsakade ingen ytterligare jonisering. De kunde dock nu interagera med de fria elektronerna, vilket kunde observeras med hjälp av ett COLTRIMS-reaktionsmikroskop utvecklat i Frankfurt.
"Vid interaktionspunkten kan tre saker hända", säger Dörner. "Antingen interagerar inte elektronen med ljuset – eller så är den spridd till vänster eller höger."
Enligt kvantfysikens lagar summerar dessa tre möjligheter tillsammans till en viss sannolikhet som återspeglas i elektronernas vågfunktion:Det molnliknande utrymme där elektronen – med en viss sannolikhet – sannolikt befinner sig, kollapsar så att säga i tredimensionella skivor. Här är den tidsmässiga utvecklingen av vågfunktionen och dess fas beroende av hur lång tid som går mellan jonisering och anslagsögonblicket för det andra paret laserpulser.
"Detta öppnar upp för många spännande tillämpningar inom kvantfysik. Förhoppningsvis kommer det att hjälpa oss att spåra hur elektroner omvandlas från kvantpartiklar till helt normala partiklar på kortast möjliga tid. Vi planerar redan att använda det för att ta reda på mer om förvecklingen mellan olika partiklar som Einstein kallade "läskiga", säger Dörner.
Mer information: Kang Lin et al, Ultrafast Kapitza-Dirac-effekt, Science (2024). DOI:10.1126/science.adn1555
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Goethe University Frankfurt am Main
