Albert Einstein a reçu le prix Nobel pour avoir expliqué l'effet photoélectrique :dans sa forme la plus intuitive, un seul atome est irradié de lumière. Selon Einstein, la lumière est constituée de particules (photons) qui ne transfèrent qu'une énergie quantifiée à l'électron de l'atome. Si l'énergie du photon est suffisante, il frappe les électrons de l'atome. Mais qu'arrive-t-il à l'élan du photon dans ce processus ? Les physiciens de l'Université Goethe sont désormais en mesure de répondre à cette question. Faire cela, ils ont développé et construit un nouveau spectromètre avec une résolution auparavant inaccessible.

Le doctorant Alexander Hartung est devenu père à deux reprises lors de la construction de l'appareil. Le dispositif, qui mesure trois mètres de long et 2,5 mètres de haut, contient environ autant de pièces qu'une automobile. Il se trouve dans la salle d'expérimentation du bâtiment de physique sur le campus de Riedberg, entouré d'un opaque, tente noire à l'intérieur de laquelle se trouve un laser extrêmement performant. Ses photons entrent en collision avec des atomes d'argon individuels dans l'appareil, et ainsi retirer un électron de chacun des atomes. La quantité de mouvement de ces électrons au moment de leur apparition est mesurée avec une extrême précision dans un long tube de l'appareil.

L'appareil est une évolution du principe COLTRIMS (Collision Optical Laser Testing Reaction Interacting Momentum System) qui a été inventé à Francfort et s'est entre-temps répandu dans le monde :il consiste à ioniser des atomes individuels, ou casser des molécules, puis déterminer avec précision la quantité de mouvement des particules. Cependant, le transfert de la quantité de mouvement du photon aux électrons prédit par les calculs théoriques est si infime qu'il n'était auparavant pas possible de le mesurer. Et c'est pourquoi Hartung a construit les "super COLTRIMS".

Lorsque de nombreux photons d'une impulsion laser bombardent un atome d'argon, ils l'ionisent. Briser l'atome consomme en partie l'énergie du photon. L'énergie restante est transférée à l'électron libéré. La question de savoir quel partenaire de réaction (l'électron ou le noyau de l'atome) conserve la quantité de mouvement du photon occupe les physiciens depuis plus de 30 ans. "L'idée la plus simple est celle-ci :tant que l'électron est attaché au noyau, la quantité de mouvement est transférée à la particule la plus lourde, c'est à dire., le noyau de l'atome. Dès qu'il se libère, la quantité de mouvement du photon est transférée à l'électron, " explique le superviseur de Hartung, Professeur Reinhard Dörner de l'Institut de physique nucléaire. Ce serait analogue au vent transférant son élan à la voile d'un bateau. Tant que la voile est solidement attachée, l'élan du vent propulse le bateau vers l'avant. A l'instant où les cordes se déchirent, cependant, l'élan du vent est transféré à la voile seule.

Cependant, la réponse que Hartung a découverte grâce à son expérience est, comme c'est typique pour la mécanique quantique, plus surprenante. L'électron reçoit non seulement la quantité de mouvement attendue, mais en plus un tiers de la quantité de mouvement du photon qui aurait dû aller au noyau de l'atome. La voile du bateau "sait" donc de l'imminence de l'accident avant que les cordes ne se déchirent et vole un peu de l'élan du bateau. Pour expliquer plus précisément le résultat, Hartung utilise le concept de lumière comme une onde électromagnétique :« Nous savons que les électrons traversent une petite barrière énergétique. Ce faisant, ils sont éloignés du noyau par le fort champ électrique du laser, tandis que le champ magnétique transfère cette quantité de mouvement supplémentaire aux électrons."

Hartung a utilisé une configuration de mesure intelligente pour l'expérience. Pour s'assurer que la petite quantité de mouvement supplémentaire de l'électron n'a pas été causée accidentellement par une asymétrie dans l'appareil, il avait l'impulsion laser qui frappait le gaz des deux côtés :soit de la droite, soit de la gauche, puis dans les deux sens simultanément, qui était le plus grand défi pour la technique de mesure. Cette nouvelle méthode de mesure de précision promet une meilleure compréhension du rôle jusque-là inexploré des composants magnétiques de la lumière laser en physique atomique.