Außergewöhnliche Verteilung von durch intensives Quantenlicht emittierten Elektronen

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 des MPI für die Physik des Lichts und Uni Erlangen-Nürnberg haben jetzt 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 Ergebnisse belegen, dass die Anzahl der Elektronen durch die Lichtstatistik beeinflusst wird, und tragen zu einem tieferen Verständnis des Prozesses der Elektronenemission bei. Durch diese Erkenntnisse lassen sich künftig Elektronenmikroskope weiter verbessern.

In dem Kooperationsprojekt untersuchen die Teams, wie extrem starkes Quantenlicht mit Materie wechselwirken kann. Die Forscher 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 Poisson-Verteilung, jedes Elektron wird also unabhängig von den anderen emittiert. Ihre Anzahl variierte nur geringfügig von Puls zu Puls. Durch den Wechsel zu einer Quantenlichtquelle, sogenannten gequetschtem Licht, welche starke Fluktuationen der Photonenzahl aufweist, konnten die Forscher zeigen, dass die Statistik der Photonen auf die Elektronen übertragen werden kann. So konnten die Wissenschaftler extreme statistische Ereignisse mit bis zu 65 Elektronen aus einem Lichtpuls messen, bei einem Durchschnittswert von 0,27 Elektronen pro Puls. Im Falle einer Poisson-Statistik wäre die Wahrscheinlichkeit eines solchen Ereignisses, also eines Ausreißers, 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 Maria Chekhova, Forschungsgruppen-Leiterin am MPL.

MPL / RK