La óptica cuántica de campo fuerte es un tema de investigación que emerge rápidamente, que fusiona elementos de fotoemisión no lineal arraigados en la física de campo fuerte con el ámbito bien establecido de la óptica cuántica. Si bien la distribución de partículas de luz (es decir, fotones) ha sido ampliamente documentada tanto en fuentes de luz clásicas como no clásicas, el impacto de dichas distribuciones en los procesos de fotoemisión sigue siendo poco comprendido.
Investigadores de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) y del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz se propusieron recientemente llenar este vacío en la literatura, explorando las interacciones entre la luz y la materia con una fuente de luz no clásica. Su artículo, publicado en Nature Physics , demuestra que las estadísticas de los fotones de la fuente de luz impulsora están impresas en las estadísticas del número de electrones de los electrones emitidos por las puntas de las agujas metálicas, una observación que podría tener implicaciones interesantes para el futuro desarrollo de dispositivos ópticos.
"El campo de la física de campos fuertes está ahora muy desarrollado, como se desprende del Premio Nobel de Física de 2023", dijo a Phys.org Jonas Heimerl, coautor del artículo e investigador de la FAU. "Esta física no se limita a los átomos, sino que también ocurre en las superficies metálicas, como las puntas de las agujas de metal. De manera similar y aún más diversa está el campo de la óptica cuántica. Un aspecto de este campo es la generación de luz con estadísticas de luz no clásicas, como como un brillante vacío comprimido."
El objetivo principal de las últimas investigaciones de Heimerl y sus colaboradores ha sido comprender cómo la luz cuántica procedente de fuentes de luz no clásicas interactúa con la materia. En particular, hasta ahora las interacciones entre la luz cuántica y la materia solo se han explorado utilizando fuentes de luz clásicas.
"Nuestra vecina, la profesora Maria Chekhova, es una experta líder mundial en el campo de la generación de vacío exprimido brillante, una forma particular de luz no clásica", dijo a Phys. Peter Hommelhoff, coautor del artículo e investigador de la FAU. .org. "Por eso nos asociamos con ella y con nuestro socio desde hace mucho tiempo, Ido Kaminer, del Technion en Israel, para investigar la emisión de electrones impulsada con luz no clásica".
Heimerl, Hommelhoff y su grupo de investigación en la FAU llevaron a cabo sus experimentos en estrecha colaboración con Chekhova, una investigadora con amplia experiencia en óptica cuántica. Chéjova es conocida específicamente por su trabajo sobre la generación de vacío brillante, una técnica que implica el uso de procesos ópticos no lineales para generar un vacío brillante, una forma de luz no clásica.
"En nuestro experimento utilizamos esta fuente de luz no clásica para desencadenar un proceso de fotoemisión a partir de la punta de una aguja metálica de sólo unas pocas decenas de nanómetros de tamaño", explicó Heimerl. "Piense en ello como el conocido efecto fotoeléctrico estudiado por Einstein, pero ahora con una fuente de luz que exhibe intensidades y fluctuaciones extremas dentro de cada pulso láser".
Por cada pulso láser generado, los investigadores contaron el número de electrones, tanto de fuentes de luz clásicas como no clásicas. Curiosamente, descubrieron que la luz de conducción puede influir directamente en el número de electrones.
"Nuestros hallazgos podrían ser de gran interés, especialmente para aplicaciones de imágenes con electrones, por ejemplo cuando se trata de imágenes de moléculas biológicas", dijo Heimerl.
Se sabe que las moléculas biológicas son muy propensas a sufrir daños y reducir la dosis de electrones utilizados para obtener imágenes de estas moléculas podría reducir el riesgo de dichos daños. El artículo de Heimerl et al. sugiere que es posible modular el número de electrones para satisfacer las necesidades de aplicaciones específicas.
"Sin embargo, antes de que podamos abordar esto, tenemos que demostrar que también podemos imprimir otra distribución de fotones a los electrones, concretamente una con ruido reducido, lo que podría ser difícil de lograr", afirmó Hommelhoff.
Los hallazgos de este trabajo reciente pronto podrían abrir nuevas oportunidades para la investigación centrada en la óptica cuántica de campos fuertes. Al mismo tiempo, podrían servir como base para nuevos dispositivos, incluidos sensores y ópticas de campo intenso que aprovechen la interacción entre la luz cuántica y los electrones.
"Creemos que esto es sólo el comienzo de la investigación experimental en este campo", añadió Heimerl. "Ya se están realizando muchos trabajos teóricos, algunos de los cuales están dirigidos por nuestro coautor Ido Kaminer. Un observable que aún no investigamos pero que contiene mucha información es la energía del electrón, que podría arrojar aún más luz sobre el interacción luz-materia."
