Experiment ger ny förståelse för kvantfysiken hos ljus och elektroner

Studien, som presenteras i Nature Communications, har letts av Imperial College London och är ett internationellt samarbete mellan ett flertal institutioner. Från Chalmers tekniska högskola och Göteborgs universitet har forskarna Mattias Marklund respektive Tom Blackburn bidragit till experimentets teoretiska delar. De har tagit fram de beräkningsmodeller som ligger till grund för experimentet, byggt verktyg som med hjälp av superdatorer räknar på processerna och tolkat experimentdata.

Bild

Första observationen av kvantmekanisk strålningsdämpning

Experimentet utfördes vid brittiska Central Laser Facility, och gick ut på att forskarlaget undersökte vad som händer när man skjuter laserljus och elektroner som färdas i närapå ljusets hastighet mot varandra. När de kolliderar med varandra skakas de starkt laddade elektronerna så hårt av laserljusets elektromagnetiska fält att de börjar stråla ut fotoner. På detta sätt förlorar elektronerna energi och bromsas in. Detta kallas för strålningsdämpning, och fram tills nu har dess kvantmekaniska variant inte kunnat observeras direkt.

Bild

– För första gången har vi kunnat se kvantegenskaper hos ljus och elektroner på ett sätt som man inte kunnat tidigare. Vi har också kunnat se vilken fysikalisk modell som beskriver växelverkan dem emellan på bästa sätt. Observationerna från experimentet ger oss en teoretisk grund för att kunna förstå hur laddade partiklar rör sig i väldigt starka elektromagnetiska fält, det vill säga i ljus i olika former, säger Mattias Marklund.

Komplement till partikelacceleratorer

Elektronernas inbromsning ser olika ut beroende på om det är klassisk fysik eller kvantfysik som är inblandad. Vid en klassisk inbromsning kommer elektronen att skicka ut en kontinuerlig ljusvåg. Men om kvantmekaniken bestämmer skickar elektronen ut ljuspartiklar stötvis och slumpmässigt, vilket i slutändan gör skillnad för hur elektronerna rör sig i krocken.

Experiment med laserljus kan vara ett komplement till dem som utförs vid partikelacceleratorer, då de ger en ytterligare möjlighet att testa och undersöka de fysikaliska lagar som styr vår tillvaro. En möjlig framtida tillämpning av experimentet kan vara nya strålkällor, såsom för röntgen.

Ett sätt att ta astrofysikaliska miljöer till labbet

Denna typ av forskning är även ett förstadium till att kunna göra andra typer av experiment, som att undersöka vad som händer när ljus kolliderar med ljus i ett tomrum, eller att försöka efterlikna astrofysikaliska miljöer i labbet och ta reda på hur materia och antimateria skapas.

– Att testa våra beräkningsmodeller hjälper oss att förstå miljöerna intill neutronstjärnor och svarta hål, där kvantegenskaper styr och den klassiska fysiken är satt ur spel, säger Tom Blackburn.

Mattias Marklund tillägger:

– Jag tycker att det är spännande att se hur långt vi kan sträcka våra undersökningar av fysikens lagar, som vi gjorde i det här experimentet. Om vi ser på rummet vi sitter i nu – vi har ett bord med solid yta här, ljuset sprids från fönstret där. Vi tänker inte mer på det. Men i experimentet ser vi hur ljuset och elektronerna växelverkar tydligt med varandra, det är som en lastbilskrock dem emellan. De här extrema parametrarna gör att det kan uppstå fysik långt ifrån den vardag vi upplever. Och att räkna på det är väldigt, väldigt roligt.