När ljus med hög energi med mycket kort vågfrekvens i det extrema ultravioletta området eller röntgenområdet interagerar med atomer eller molekyler kan det få en elektron att ”lossna” från atomen och skickas ut i en process som kallas fotoelektrisk effekt. Genom att mäta ljus-materia-växelverkan och dess rörelseenergi kan man få en hel del information om atomen som bestrålats. Detta är den grundläggande principen för fotoelektronspektroskopi.
Fotoelektronen är ett kvantobjekt
Elektronen som avges, det vill säga det som kallas fotoelektronen, behandlas ofta som en klassisk partikel. I verkligheten är fotoelektronen ett kvantobjekt som måste beskrivas kvantmekaniskt, då den är så liten att på den skalan beskrivs världen som kvantmekanik. Detta betyder att vi måste använda speciella regler från kvantmekaniken för att beskriva fotoelektronen, eftersom den inte bara är en vanlig liten partikel utan också beter sig som en våglängd.
– Genom att mäta fotoelektronens kvanttillstånd kan vår teknik ge ett exakt svar på frågan ”hur kvantmekanisk är elektronen”. Idén är densamma som vid CT-undersökningar (datortomografi) som används inom medicinen för att avbilda hjärnan: vi rekonstruerar ett komplext 3D-objekt genom att ta flera 2D-bilder av objektet från många olika vinklar, säger David Busto, biträdande universitetslektor i atomfysik och en av författarna till studien som nu publiceras i Nature Photonics tillsammans med bland andra kollegan Hugo Laurell.
Första gången
Detta görs genom att producera fotoelektronkvanttillståndet, som motsvarar det 3D-objekt som vi vill mäta, genom jonisering av atomer med ultrakorta ljuspulser med hög energi, och sedan används ett par laserpulser med olika färger för att ta 2D-bilderna och rekonstruera kvanttillståndet steg för steg.
– Mätmetoden gör det möjligt att för första gången mäta kvanttillståndet hos elektroner som avges från helium- och argonatomer, vilket visar att fotoelektronens kvanttillstånd påverkas av vilken typ av material den avges ifrån, säger David Busto.
Varför är dessa resultat så intressanta?
– Den fotoelektriska effekten förklarades för över hundra år sedan av Einstein, vilket lade grunden för utvecklingen av kvantmekaniken. Samma fenomen utnyttjades sedan av Kai Siegbahn för att studera hur elektroner är ordnade inuti atomer, molekyler och fasta ämnen.
Paradoxalt nog bygger denna teknik endast på att mäta fotoelektronens klassiska egenskaper, som exempelvis dess hastighet. Nu, mer än 40 år efter att Kai Siegbahn tilldelades Nobelpriset för fotoelektronspektroskopi 1981, har vi äntligen en metod som gör det möjligt för oss att fullt ut karakterisera kvantegenskaperna hos de utsända fotoelektronerna, vilket utökar fotoelektronspektroskopins potential. Framför allt ger den nya mätmetoden tillgång till kvantinformation som annars inte skulle vara tillgänglig.
Hur kan dessa resultat vara användbara?
– Vi tillämpade vår teknik på enkla atomer, helium och argon, som är relativt välkända. I framtiden skulle den kunna användas för att studera molekylära gaser, vätskor och fasta ämnen, där fotoelektronernas kvantegenskaper kan ge mycket information om hur det joniserade målet reagerar efter den plötsliga förlusten av en elektron. Att förstå denna process på en grundläggande nivå kan på lång sikt ha betydelse för olika forskningsområden. Det kan till exempelvis handla om fotokemi i atmosfären eller studier av ljusinsamlingssystem, som är system som samlar in och utnyttjar ljusenergi, såsom solceller eller fotosyntes i växter.
En annan intressant aspekt av detta arbete är att det bygger en bro mellan två olika vetenskapsområden: attosekundvetenskap och spektroskopi (forskning av det slag nobelpristagaren Anne L’Huillier sysslar med) å ena sidan och kvantinformation och kvantteknik å andra sidan.
På vilket sätt kan denna studie vara viktig för allmänheten?
– Det här arbetet är kopplat till den pågående andra kvantrevolutionen som syftar till att manipulera enskilda kvantobjekt (i detta fall fotoelektroner) för att utnyttja den fulla potentialen i deras kvantegenskaper för olika tillämpningar. Vår teknik för kvanttillståndstomografi kommer inte att leda till att man bygger nya kvantdatorer, men genom att ge tillgång till kunskap om fotoelektronernas kvanttillstånd kommer fysikerna att kunna utnyttja deras kvantegenskaper fullt ut i framtida tillämpningar.
Vad kan man kan använda upptäckten till?
– Genom att mäta fotoelektronens hastighet och emissionsriktning kan vi lära oss mycket om materialets struktur. Detta är viktigt, exempelvis för att studera egenskaperna hos nya material. Vår teknik gör det möjligt att gå längre än tidigare metoder genom att mäta fotoelektronens fullständiga kvanttillstånd. Detta innebär att vi kan samla in mer information om målet än vad som är möjligt med traditionell fotoelektronspektroskopi. Förhoppningen är att vår teknik kan hjälpa till att reda ut de processer som sker i materialet efter att elektronen har kastats ut.
Var det något i resultaten som förvånade dig?
– Det mest förvånande är att vår teknik fungerade så bra! Fysiker har redan försökt mäta fotoelektronernas kvanttillstånd med en annan metod, och de experimenten visade att det är mycket svårt. Allt måste vara mycket stabilt under en lång tidsperiod, men vi lyckades till slut uppnå dessa mycket stabila förhållanden.
