Albert Einstein recibió el Premio Nobel por explicar el efecto fotoeléctrico:en su forma más intuitiva, un solo átomo se irradia con luz. Según Einstein, la luz consta de partículas (fotones) que transfieren solo energía cuantificada al electrón del átomo. Si la energía del fotón es suficiente, saca los electrones del átomo. Pero, ¿qué sucede con el impulso del fotón en este proceso? Los físicos de la Universidad Goethe ahora pueden responder a esta pregunta. Para hacerlo desarrollaron y construyeron un nuevo espectrómetro con una resolución previamente inalcanzable.

El estudiante de doctorado Alexander Hartung se convirtió en padre dos veces durante la construcción del aparato. El dispositivo, que tiene tres metros de largo y 2.5 metros de alto, contiene aproximadamente tantas piezas como un automóvil. Se encuentra en la sala de experimentos del edificio de física en el campus de Riedberg, rodeado de un opaco, carpa negra dentro de la cual hay un láser de muy alto rendimiento. Sus fotones chocan con átomos de argón individuales en el aparato, y de ese modo eliminar un electrón de cada uno de los átomos. El impulso de estos electrones en el momento de su aparición se mide con extrema precisión en un tubo largo del aparato.

El dispositivo es un desarrollo adicional del principio COLTRIMS (Collision Optical Laser Testing Reaction Interacting Momentum System) que se inventó en Frankfurt y, mientras tanto, se ha extendido por todo el mundo:consiste en ionizar átomos individuales, o rompiendo moléculas, y luego determinar con precisión el momento de las partículas. Sin embargo, la transferencia de la cantidad de movimiento del fotón a los electrones predicha por cálculos teóricos es tan pequeña que antes no era posible medirla. Y es por eso que Hartung construyó los "super COLTRIMS".

Cuando numerosos fotones de un pulso láser bombardean un átomo de argón, lo ionizan. Romper el átomo consume parcialmente la energía del fotón. La energía restante se transfiere al electrón liberado. La cuestión de qué compañero de reacción (electrón o núcleo del átomo) conserva el impulso del fotón ha ocupado a los físicos durante más de 30 años. "La idea más simple es la siguiente:siempre que el electrón esté unido al núcleo, el impulso se transfiere a la partícula más pesada, es decir., el núcleo del átomo. Tan pronto como se libera el momento del fotón se transfiere al electrón, "explica el supervisor de Hartung, Profesor Reinhard Dörner del Instituto de Física Nuclear. Esto sería análogo a que el viento transfiera su impulso a la vela de un barco. Siempre que la vela esté firmemente sujeta, el impulso del viento impulsa el barco hacia adelante. En el instante en que las cuerdas se rompen sin embargo, el impulso del viento se transfiere solo a la vela.

Sin embargo, la respuesta que Hartung descubrió a través de su experimento es, como es típico de la mecánica cuántica, más sorprendente. El electrón no solo recibe el impulso esperado, pero además un tercio del momento del fotón que en realidad debería haber ido al núcleo del átomo. Por lo tanto, la vela del barco "sabe" del accidente inminente antes de que las cuerdas se rompan y le quiten un poco de impulso. Para explicar el resultado con mayor precisión, Hartung utiliza el concepto de luz como una onda electromagnética:"Sabemos que los electrones atraviesan una pequeña barrera de energía. Al hacerlo, son alejados del núcleo por el fuerte campo eléctrico del láser, mientras que el campo magnético transfiere este impulso adicional a los electrones ".

Hartung utilizó una configuración de medición inteligente para el experimento. Para asegurarse de que el pequeño impulso adicional del electrón no fue causado accidentalmente por una asimetría en el aparato, Hizo que el pulso láser golpeara el gas desde dos lados:desde la derecha o la izquierda, y luego desde ambas direcciones simultáneamente, que fue el mayor desafío para la técnica de medición. Este nuevo método de medición de precisión promete una comprensión más profunda del papel previamente inexplorado de los componentes magnéticos de la luz láser en la física atómica.