(openPR) Einen wichtigen Beitrag zur Untersuchung der grundlegenden Verbindungen von Starkfeldphysik und Quantenoptik hat eine Arbeitsgruppe der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) geleistet: Die Forschenden haben erstmals untersucht, wie sich Elektronen, die von metallischen Nadelspitzen mithilfe von Licht emittiert werden, in starkem Quantenlicht verhalten. Ihre Studie wurde nun in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.
Die beiden physikalischen Forschungsfelder der Starkfeldphysik und der Quantenoptik galten lange als unabhängige Themengebiete ohne nennenswerte Überschneidungen. Während sich die Starkfeldphysik mit dem Verhalten von Materie, wie z.B. atomaren Gasen, in intensiven Lichtfeldern beschäftigt, konzentriert sich die Quantenoptik auf die Erforschung besonderer Quanteneigenschaften von Licht, die im Rahmen der klassischen Physik nicht beschreibbar sind. Für die Starkfeldphysik benötigt man intensive Laserstrahlen, das heißt Strahlen mit unzählig vielen Photonen, während die Quantenoptik die Physik weniger Photonen behandelt. In den letzten Jahren sind sich die beiden Gebiete nähergekommen, so dass sich gerade das Gebiet der Starkfeld-Quantenoptik etabliert. Eine Gruppe von Physikerinnen und Physikern der FAU und des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts unter Leitung von Prof. Dr. Peter Hommelhoff und Prof. Dr. Maria Chekhova hat nun einen wichtigen experimentellen Beitrag zur Weiterentwicklung dieses Feldes geleistet.
Die besonderen Eigenschaften von Quantenlicht
Licht kann in besonderen Formen auftreten, die so exotisch sind, dass sie reines Quantenlicht darstellen. Ein Beispiel hierfür ist das sogenannte gequetschte Vakuum. Dieser Lichtzustand, der sich im Labor in optischen Kristallen erzeugen lässt, hat verschiedene Eigenschaften, die sich von denen normalen Lichts unterscheiden. So ist insbesondere das mittlere elektrische Feld zu jedem Zeitpunkt gleich Null. Trotzdem weist das Licht große Schwankungen im elektrischen Feld auf.
Quantenlichtzustände wie gequetschtes Licht sind typischerweise sehr schwach, oft bestehen sie nur aus wenigen Photonen. Die Erzeugung von stärkerem bzw. sogar extrem intensivem Quantenlicht war lange Zeit experimentell nicht möglich. Die Gruppe von Maria Chekhova, die an der FAU eine Professur für Optik hält und am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts eine Forschungsgruppe leitet, forscht seit langer Zeit an der Erzeugung solcher intensiver Quantenlichtzustände und hat in den letzten Jahren Methoden entwickelt, um ein intensives gequetschtes Vakuum herzustellen.
Starkfeldphysik mit intensivem Quantenlicht
Die Gruppe von Peter Hommelhoff, der an der FAU den Lehrstuhl für Laserphysik leitet, erforscht seit langem die Wechselwirkung von intensiven Lichtfeldern mit Materie. An Hommelhoffs Lehrstuhl werden mithilfe ultrakurzer Lichtpulse Elektronen aus extrem scharfen Metallspitzen ausgelöst. Diese Elektronen werden dann durch das optische elektrische Feld an der Oberfläche der Metallspitzen beschleunigt. Werden die Elektronen dabei zurück zur Spitze getrieben, können sie dort elastisch zurückgestoßen werden und zusätzliche kinetische Energie vom Lichtfeld erhalten. Schließlich wird die Verteilung der kinetischen Energien der Elektronen gemessen; typischerweise kann im Elektronenspektrum dann ein Plateau beobachtet werden. Dies ist eine Region im Spektrum, in der die Zählrate der Elektronen über einen gewissen spektralen Bereich konstant bleibt, während ansonsten ein deutlicher Abfall der Zählrate mit zunehmender kinetischer Energie gemessen wird. Die Ursache hierfür ist die oben beschriebene Rückstreuung der Elektronen. Solch ein Plateau im Spektrum ist damit das entscheidende Merkmal der Starkfeldphysik.
Starkfeldexperimente wurden in der Vergangenheit praktisch ausschließlich mit intensivem Laserlicht durchgeführt – unter anderem aufgrund der fehlenden Verfügbarkeit anderer Formen von intensivem Licht. Die Kollaboration zwischen den beiden Forschungsgruppen von Professor Hommelhoff und Professorin Chekhova ermöglichte es nun, neue Wege zu beschreiten. Verschiedene Fragen stellten sich den Forschenden: Können Starkfeldprozesse an metallischen Nadelspitzen auch mit Quantenlicht getrieben werden, insbesondere mit hellem gequetschtem Vakuum, dessen mittleres elektrisches Feld gleich Null ist? Wie unterscheiden sich die Elektronenspektren von jenen, bei denen Laserlicht verwendet wird?
Hochenergetische Elektronen und ein verstecktes Plateau
Diese Fragen beantworten die Forschenden nun in einem jüngst in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlichten Artikel. Experimentell beobachten sie, dass im Vergleich zu klassischem Laserlicht deutlich höhere Elektronenenergien erreicht werden, wenn sie die Starkfeldprozesse mit dem intensiven Vakuum-Licht treiben. Allerdings beobachten sie zunächst kein Plateau im Energiespektrum der Elektronen. Erst wenn sie die Spektren mit der Anzahl der Photonen im jeweiligen Lichtpuls vergleichen, können sie das wohlbekannte Plateau – das Merkmal der Starkfeldphysik – rekonstruieren. Es versteckt sich sozusagen im Quantenlicht-getriebenen Elektronenspektrum.
Bemerkenswert an dem Experiment ist unter anderem auch, dass die oben beschriebenen Starkfeld-Phänomene nun erstmals für einen Lichtzustand beobachtet wurden, dessen mittleres elektrisches Feld gleich Null ist – ein klassisch nicht vorstellbares Verhalten, das die besonderen Eigenschaften des Quantenlichts zeigt.
Der gesamte Beitrag mitsamt Bildmaterial ist auf unserer Webseite verfügbar:
https://www.fau.de/2025/11/news/brueckenbauer-zwischen-starkfeldphysik-und-quantenoptik/
Kontakt für Medien:
Prof. Dr. Peter Hommelhoff
Tel.: 09131/85-27089
Prof. Dr. Maria Chekhova
Tel.: 09131/7133-611
wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Peter Hommelhoff
Tel.: 09131/85-27089
Prof. Dr. Maria Chekhova
Tel.: 09131/7133-611
Originalpublikation:
https://www.nature.com/articles/s41567-025-03087-1
