Le distribuzioni del numero di fotoni di varie sorgenti luminose sono state ampiamente studiate. Tuttavia, si sa poco sulla distribuzione statistica degli elettroni emessi sotto l'effetto della luce intensa.
I ricercatori del Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) e della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hanno ora scoperto eventi statistici estremi e altamente insoliti nelle distribuzioni del numero di elettroni ottenute quando vengono illuminate punte di aghi metallici di dimensioni nanometriche con impulsi ultracorti di brillante luce quantistica.
I risultati, recentemente pubblicati sulla rivista Nature Physics , dimostrano che il numero di elettroni è influenzato dalle statistiche della luce e contribuisce ad una comprensione più profonda del processo di emissione degli elettroni. Questi risultati contribuiranno a migliorare ulteriormente i microscopi elettronici.
In un progetto collaborativo, i team guidati dalla Prof.ssa Maria Chekhova del MPL e dal Prof. Peter Hommelhoff della FAU stanno studiando come la luce quantistica estremamente forte possa interagire con la materia. I ricercatori stanno illuminando le punte degli aghi metallici di dimensioni nanometriche con impulsi di luce classica e quantistica. Rilevano gli elettroni rilasciati dal metallo e ne studiano le proprietà statistiche.
Gli elettroni innescati dalla luce classica seguono una distribuzione Poissoniana, ciò significa che ogni elettrone viene emesso indipendentemente dagli altri. Il numero di elettroni emessi sotto l'effetto della luce classica varia solo leggermente da impulso a impulso. Passando a una sorgente di luce quantistica, il cosiddetto vuoto luminoso, che presenta forti fluttuazioni del numero di fotoni, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che le statistiche dei fotoni possono essere trasferite agli elettroni.
Utilizzando un vuoto brillante, gli scienziati sono stati in grado di misurare eventi statistici estremi con un massimo di 65 elettroni da un impulso luminoso, con un valore medio di 0,27 elettroni per impulso. Nel caso delle statistiche poissoniane, la probabilità di un tale evento (un valore anomalo che supera la media di un fattore 240) sarebbe pari a 10 -128 . Modificando il numero di modalità del vuoto compresso, gli scienziati hanno potuto personalizzare la distribuzione del numero di elettroni su richiesta.
"I nostri risultati mostrano che le statistiche dei fotoni vengono impresse dalla luce guida sugli elettroni emessi, aprendo la porta a nuovi dispositivi sensori e ottiche a campo forte con luce quantistica ed elettroni", afferma Maria Chekhova, leader del gruppo di ricerca presso MPL.
Per illustrare le dimensioni con un esempio tratto dalla vita di tutti i giorni, Jonas Heimerl, un Ph.D. della FAU. studente, spiega:"Se si sparge l'uvetta sui muffin, la probabilità di trovare un certo numero di uvetta nel muffin segue una distribuzione di Poisson. Supponiamo che ci sia una media di due uvette per muffin. Può quindi accadere che non ci sono uvette o cinque uvette nel muffin, ma nella maggior parte dei casi ce ne saranno due. Tuttavia, la probabilità di ottenere più di 50 uvette è impossibile con una distribuzione di Poisson."
Gli eventi multielettronici osservati in questi esperimenti erano come trovare 480 uvetta in un unico muffin, il che renderebbe sicuramente felice qualsiasi amante dell'uvetta.
Ulteriori informazioni: Jonas Heimerl et al, Emissione di elettroni multifotone con luce non classica, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02472-6
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito dall'Istituto Max Planck per la Scienza della Luce
