Un nuovo metodo utilizza vortici di luce per consentire ai ricercatori di osservare stati quantistici di elettroni precedentemente invisibili. Il metodo è stato sviluppato da fisici della Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) e da un team internazionale di ricercatori. Promette di fornire nuove informazioni sul movimento degli elettroni, che è fondamentale per comprendere le proprietà dei materiali come la conduttività elettrica, magnetismo, e strutture molecolari. Il laser a elettroni liberi FERMI in Italia è stato utilizzato per fornire prove sperimentali e i risultati sono stati pubblicati sulla rivista Fotonica della natura .

I microscopi ottici hanno dato al mondo il primo assaggio del microcosmo di batteri e cellule. Però, la lunghezza d'onda della luce limita la risoluzione di questi microscopi. "Il mondo quantistico rimane invisibile, " afferma il Dr. Jonas Wätzel dell'Istituto di Fisica dell'MLU, che è membro del gruppo di ricerca guidato dal professor Jamal Berakdar. "Negli atomi, l'espansione spaziale delle particelle quantistiche, come gli elettroni, è molte volte inferiore alla lunghezza d'onda della luce, rendendo impossibile l'imaging utilizzando la microscopia ottica tradizionale."

Però, la luce può trasportare una notevole quantità di energia. "Quando l'energia di un fotone è abbastanza forte da far uscire un elettrone dal materiale, si chiama effetto fotoelettrico, " Spiega Wätzel. Questo effetto è stato previsto da Einstein. Gli spettrometri possono rilevare le proprietà del fotoelettrone emesso. La spettroscopia fotoelettronica è attualmente lo strumento principale utilizzato per analizzare la struttura elettronica di un materiale. "Molti stati quantistici non sono eccitati dai fotoni e quindi rimangono invisibili , "Spiega Wätzel.

Insieme a un team internazionale di ricercatori, ha sviluppato un nuovo metodo per fornire al fotoelettrone maggiori informazioni. Per fare questo, i fisici combinano raggi laser convenzionali con vortici di luce, cosiddetti vortici ottici. "Questo costringe le onde luminose su un percorso elicoidale con un momento angolare. Quando interagiscono con la materia, gli elettroni vengono espulsi e questo movimento elicoidale viene trasmesso, " Spiega Wätzel. Quando questo è combinato con la spettroscopia, è possibile rilevare proprietà precedentemente invisibili del materiale. Come e se il fotoelettrone interagisce con l'onda contorta di luce e inizia a ruotare se stesso, dipende in gran parte dalle proprietà del materiale.

L'esperimento altamente complesso è stato eseguito utilizzando il laser a elettroni liberi FERMI, con sede a Trieste, Italia. "C'era un eccellente accordo tra le previsioni teoriche e i risultati delle misurazioni, " afferma Wätzel. "Questo metodo di spettroscopia apre la strada a nuove intuizioni sulla struttura della materia e sulla sua interazione con la luce. Che aspetto ha una molecola, se ruota in senso orario o antiorario, se un materiale può condurre elettricità o è magnetico, tutto dipende dalla struttura elettronica." In effetti, il metodo può essere applicato universalmente e può essere utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni, dalla medicina all'elettronica e alla scienza dei materiali.