艺术家对金属针尖发射的电子的印象，由非经典（紫色）和经典（蓝色）光源触发。图片来源：Stefan Meier

各种光源的光子数分布已被广泛研究.然而，人们对在强光作用下发射的电子的统计分布知之甚少。

马克斯·普朗克光科学研究所（MPL）和弗里德里希-亚历山大-埃尔朗根-纽伦堡大学（FAU）的研究人员现在发现了当纳米大小的金属针尖被超短的明亮量子光脉冲照射时获得的电子数分布中极端和高度不寻常的统计事件。

最近发表在《自然物理学》杂志上的研究结果证明，电子的数量受到光统计的影响，有助于更深入地理解电子发射过程。这些发现将有助于进一步改进电子显微镜。

在一个合作项目中，由MPL的Maria Chekhova教授和FAU的Peter Hommelhoff教授领导的团队正在研究极强的量子光如何与物质相互作用。研究人员正在用经典光和量子光的脉冲照亮纳米大小的金属针尖。他们检测从金属中释放的电子并研究它们的统计特性。

经典光触发的电子遵循泊松分布，这意味着每个电子都独立于其他电子发射。在经典光的作用下发射的电子数仅因脉冲而异。通过传递到量子光源，即所谓的明亮挤压真空，它表现出强烈的光子数波动，研究人员能够证明光子的统计数据可以转移到电子上。

使用明亮的挤压真空，科学家们能够测量来自一个光脉冲的多达65个电子的极端统计事件，每个脉冲的平均值为0.27个电子。在泊松统计的情况下，此类事件的概率（异常值超过均值 240 倍）将低至 10-128.通过改变挤压真空的模式数量，科学家们可以根据需要定制电子数分布。

用于产生明亮挤压真空的光学设置。图片来源：Tanya Chekhova

“我们的结果表明，光子统计从驾驶灯印在发射的电子上，为新的传感器设备和具有量子光和电子的强场光学打开了大门，”MPL研究小组负责人Maria Chekhova说。

为了用日常生活中的例子来说明这些尺寸，FAU博士生Jonas Heimerl解释说：“如果你把葡萄干涂在松饼上，在松饼中找到一定数量的葡萄干的概率遵循泊松分布。让我们假设每个松饼平均（平均）两个葡萄干。因此，松饼中可能没有葡萄干或五个葡萄干，但在大多数情况下，会有两个。然而，在泊松分布下，获得超过 50 个葡萄干的概率是不可能的。

在这些实验中观察到的多电子事件就像在一个松饼中发现了 480 个葡萄干——这绝对会让任何葡萄干爱好者感到高兴。

更多信息：Jonas Heimerl 等人，非经典光的多光子电子发射，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02472-6

期刊信息： Nature Physics