Nejslavnější fyzik na světě – Albert Einstein – získal v roce 1921 Nobelovu cenu za fyziku a to i za vysvětlení fotoelektrického jevu. Fotoelektrický jev je experimentálně pozorován jev, kdy světlo vhodné vlnové délky (foton) při dopadu na kov nebo polovodič vyráží z atomů látky elektrony, které se pak volně pohybují v látce a zvyšují její vodivost nebo ji opustí. Co se ale při tomto procesu stane s hybností fotonu? To nyní objasňují němečtí fyzici.
Na Goetheho univerzitě ve Frankfurtu nad Mohanem jsou nyní schopni odpovědět na tuto otázku. Jak vědci informují ve studii zveřejněné v Science Daily, vyvinuli a zkonstruovali totiž spektrometr s dosud největším rozlišením. Zařízení je tři metry dlouhé a dva a půl metru vysoké a obsahuje přibližně tolik součástek jako běžný osobní automobil. Nachází se v experimentální sále fyzikálního institutu univerzity.
V místnosti se nachází černý stan a uvnitř je mimořádně výkonný laser. Jeho fotony se srážejí s atomy argonu, čímž odstraňují z každého atomu jeden elektron. Sílu těchto elektronů pak měří s extrémní přesností v měřicí komoře přístroje.
Zařízení je dalším stupněm vývoje principu COLTRIMS, kteří vyvinuli frankfurtští vědci. Jde o reakční mikroskop schopný experimentálně dokazovat závěry teoretické fyziky. Dokáže určovat přesnou hybnost částic při rozpadu molekul. Avšak přenos fotonové hybnosti na elektrony je tak malý, že ho nebylo až dosud možné změřit. Proto vyvinuli „super COLTRIMS“, na jehož výrobě se podílel hlavně doktorand Alexander Hartung.
Beyond Einstein: Physicists solve mystery surrounding photon momentum – https://t.co/xciA6GTfOQ https://t.co/ANuI3Gbf1M #Hartung #Einstein #Physics pic.twitter.com/uq2nCiSnSM
— NUS Trivia | tech news (@NusTrivia) October 2, 2019
Když fotony z laseru bombardují atom argonu, ionizují ho a rozpad atomu částečně spotřebovává energii fotonu. Zbývající energie se tak přenáší na uvolněný elektron. Otázka, který reakční partner – ať elektron či atomové jádro, zachová hybnost fotonu, zajímá vědce již více než 30 let.
„Nejjednodušší vysvětlení je, že pokud je elektron připojen k jádru, hybnost se přenáší do těžší částice, tedy do atomového jádra. Jakmile se ale uvolní, fotonová hybnost se přenese na elektron,“ vysvětluje profesor Reinhard Dörner z Ústavu jaderné fyziky, který je Hartungův vedoucí.
Celé je to možné přirovnat k větru, který svou hybnost přenáší na plachtu umístěnou na plachetnici. Pokud je plachta pevně připojena, vítr hybností pohání loď vpřed. V okamžiku, kdy se lana přetrhnou, hybnost větru se přenáší na samotnou plachtu
Odpověď, se kterou ale fyzici přišli během experimentu je však, jak to už pro kvantovou fyziku bývá, ještě překvapivější. Elektron nejen, že přijme očekávanou hybnost, ale přijme ještě jednu třetinu fotonové hybnosti, která ale měla směřovat do jádra atomu. Je to jakoby plachta lodi „věděla“, že se lana přetrhnou a vezme si trochu hybnosti lodě.
Na měření experimentu použili pojistku. Aby nebylo měření malé dodatečné hybnosti elektronu zkreslené asymetrií přístroje, nechali impuls laseru narazit na argon ze dvou stran – nejprve zleva, pak i z pravé strany a nakonec současně z obou. To poskytlo hodnověrné výsledky měření.
Tato nová metoda měření slibuje lepší pochopení úlohy magnetických komponent laserových paprsků v kvantové fyzice. Je jasné, že vědců ještě čeká hodně práce a ověřování jejich zjišťování, avšak jejich práce směřuje k novým poznatkům na poli této neprobádané části fyziky na subatomární úrovni.