Partiklar, ibland långt ifrån varandra, kan vara sammanflätande. Detta märkliga fenomen bryter helt mot vår intuition, men har fått sin förklaring genom kvantmekanik. Forskare vid Lunds tekniska högskola (LTH) visar i en ny studie att sammanflätning också kan skapas på ett nytt sätt med hjälp av intensivt ljus och de på detta sätt kan ändra elektroners rörelseenergi. Detta skapar ny förståelse för den fotoelektriska effekten.
1921 belönades Albert Einstein med Nobelpriset i fysik för sin förklaring av den fotoelektriska effekten, där ljusets inflytande på elektronernas rörelseenergi var i fokus. Han visade att när ett material bestrålas av ljus med hög frekvens kan det skapas fria elektroner med en hög rörelseenergi. Principen är mycket användbar, eftersom den gör det möjligt att bestämma hur hårt elektroner är bundna olika system (så som atomer, molekyler och fasta material), och därför gör det möjligt att förstå olika materials uppbyggnad.
– Nu visar vår studie att denna effekt inte bara beror på ljusets frekvens utan också på dess intensitet, vilket resulterar i elektroner med två olika energier, trots att ljuset bara har en enda frekvens, säger Marcus Dahlström, forskare i matematisk fysik och en av författarna till studien som nu publiceras i Science Advances.
I studien, som kombinerar både experiment och teori, förklarar forskarna att fenomenet uppkommer på grund av en sammanflätning av partiklar. På detta sätt har det internationella forskarlaget visat att sammanflätning kan skapas på ett nytt sätt med hjälp av laserpulser.
I experimentet bestrålade man heliumatomer med högintensivt ljus från en frielektronlaser i Trieste, Italien. Genom laserns ultrakorta ljuspulser fick man en fotoelektron och en jon (en positivt laddad atom) att bli sammanflätade. Med andra ord visade forskarna att de kunde se hur jonen påverkades av lasern genom att i stället mäta elektronernas kinetiska energi.
– Genom att ”klä” dessa joner med ljus kan vi visa att de beter sig på nya sätt som bara kan beskrivas som en kombination av materia och ljus. Samtidigt påverkar detta elektroner med olika energier. Detta är en mekanism som inte kan förstås med koncept från vår klassiska värld, men som likväl helt naturligt följer ur kvantmekanikens matematiska struktur, säger Marcus Dahlström.
2022 års Nobelpris tilldelades Alain Aspect, John Clauser och Anton Zeilinger för experiment som påvisade sammanflätning av ljuspartiklar och för banbrytande forskning inom kvantinformation. De visade att två partiklar kan höra ihop i en enhet även när de är separerade. Det som händer med en av partiklarna i ett sammanflätat partikelpar avgör ödet för den andra partikeln, även om de befinner sig på stort avstånd från varandra.
– I vårt arbete förklarar vi att sammanflätning också kan skapas mellan massiva partiklar då de kläs upp med ljus och att denna effekt består trots att partiklarna separeras från varandra.
Motbevisar då LTH:s resultat den fotoelektriska effekten?
– Nej, egentligen inte, eftersom när jonen kläs med ljus så bildas ett nytt system som motsvarar två möjliga bindningsenergier för elektronen. Enligt kvantmekaniken kommer därför elektronen att få två olika kinetiska energier på samma gång. Tack vare denna sammanflätning kan vi få information om jonens tillstånd genom att mäta elektronens egenskaper. I framtiden kan detta göra det möjligt för oss att bättre förstå hur en atoms omgivning påverkar kvantsammanflätning och på så sätt leda till mer pålitliga kvantteknologier.
