Außergewöhnliche Statistiken von Elektronen emittiert durch intensives Quantenlicht

Die Verteilung der Elektronenzahl verschiedener Lichtquellen wurde bereits eingehend wissenschaftlich untersucht. Über die statistische Verteilung der emittierten Elektronen unter intensiver Lichteinwirkung hingegen ist kaum etwas bekannt. Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben nun extreme und höchst ungewöhnliche statistische Ereignisse in der Elektronenzahlverteilung entdeckt, welche sich ergeben, wenn nanometergroße Metallnadelspitzen mit ultrakurzen Pulsen aus intensivem Quantenlicht beleuchtet werden.

Die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlichten Ergebnisse belegen, dass die Anzahl der Elektronen durch die Lichtstatistik beeinflusst wird und tragen zu einem tieferen Verständnis des Prozesses der Elektronenemission bei. Diese Erkenntnisse werden dazu beitragen, Elektronenmikroskope weiter zu verbessern.

Teil des optischen Aufbaus für die Generierung von gequetschtem Licht. © Tanya Chekhova

In einem Kooperationsprojekt untersuchen die Teams von Prof. Maria Chekhova, MPL und Prof. Peter Hommelhoff, FAU, wie extrem starkes Quantenlicht mit Materie wechselwirken kann. Die Forschenden beleuchten nanometergroße Metallnadelspitzen mit Pulsen aus klassischem Licht und Quantenlicht. Sie detektieren die aus dem Metall freigesetzten Elektronen und untersuchen deren statistische Eigenschaften.

Die Elektronen, die unter der Einwirkung von klassischem Licht emittiert werden, folgten einer Poissonschen Verteilung, d. h. jedes Elektron wird unabhängig von den anderen emittiert. Ihre Anzahl variierte nur geringfügig von Puls zu Puls. Durch den Wechsel zu einer Quantenlichtquelle, dem sogenannten bright squeezed vacuum (gequetschtes Licht), welche starke Fluktuationen der Photonenzahl aufweist, konnten die Forscher*innen zeigen, dass die Statistik der Photonen auf die Elektronen übertragen werden kann. Mit dem bright squeezed vacuum konnten die Wissenschaftler*innen extreme statistische Ereignisse mit bis zu 65 Elektronen aus einem Lichtpuls messen, bei einem Durchschnittswert von 0,27 Elektronen pro Puls. Im Falle einer Poissonschen Statistik wäre die Wahrscheinlichkeit eines solchen Ereignisses, also ein Ausreißer, der den Mittelwert um den Faktor 240 übersteigt, lediglich 10-128. Indem die Anzahl der Moden des gequetschten Vakuums verändert wurde, konnten die Wissenschaftler die Elektronenzahlverteilung nach Bedarf anpassen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Photonenstatistiken von dem antreibenden Licht auf die emittierten Elektronen übertragen werden kann, was die Tür zu neuen Sensorgeräten und Starkfeldoptiken mit Quantenlicht und Elektronen öffnet“, sagt Professor Maria Chekhova, Forschungsgruppenleiterin am MPL.

Um die Dimensionen anhand eines Beispiels aus dem Alltag zu veranschaulichen, erklärt Jonas Heimerl, Doktorand an der FAU: „Wenn man Rosinen auf Muffins verteilt, folgt die Wahrscheinlichkeit, eine bestimmte Anzahl von Rosinen im Muffin zu finden, einer Poisson-Verteilung. Angenommen, es gibt im Durchschnitt zwei Rosinen pro Muffin. So kann es durchaus vorkommen, dass keine Rosinen oder fünf Rosinen im Muffin zu finden sind. In den meisten Fällen werden es jedoch zwei sein. Die Wahrscheinlichkeit, mehr als 50 Rosinen zu erhalten, ist bei einer Poisson-Verteilung unmöglich.“

Die beobachteten Multi-Elektronen-Ereignisse waren bei diesen Experimenten vergleichbar mit dem Auffinden von 480 Rosinen in einem einzigen Muffin, – was sicherlich jeden erfreuen würde.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Prof. Maria Chekhova /
Leiterin der Forschungsgruppe ›Quantenstrahlung‹
Staudtstr. 2 / D-91058 Erlangen, Germany
www.mpl.mpg.de / maria.chekhova@mpl.mpg.de

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Department of Physics
Jonas Heimerl, M. Sc
Staudtstr. 1 / D-91058 Erlangen, Germany
jonas.heimerl@fau.de

Originalpublikation:

Heimerl, J., Mikhaylov, A., Meier, S. et al. Multiphoton electron
emission with non-classical light. Nat. Phys. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41567-024-02472-6

http://www.mpl.mpg.de