Une nouvelle méthode utilise des tourbillons de lumière pour permettre aux chercheurs d'observer des états quantiques d'électrons auparavant invisibles. La méthode a été développée par des physiciens de l'Université Martin Luther de Halle-Wittenberg (MLU) et une équipe internationale de chercheurs. Il promet de fournir de nouvelles informations sur le mouvement des électrons, ce qui est crucial pour comprendre les propriétés des matériaux telles que la conductivité électrique, magnétisme, et les structures moléculaires. Le laser à électrons libres FERMI en Italie a été utilisé pour fournir une preuve expérimentale et les résultats ont été publiés dans la revue Photonique de la nature .

Les microscopes optiques ont donné au monde son premier aperçu du microcosme des bactéries et des cellules. Cependant, la longueur d'onde de la lumière limite la résolution de ces microscopes. "Le monde quantique reste invisible, " dit le Dr Jonas Wätzel de l'Institut de physique de MLU, qui est membre du groupe de recherche dirigé par le professeur Jamal Berakdar. « Dans les atomes, l'expansion spatiale des particules quantiques, comme les électrons, est plusieurs fois plus petit que la longueur d'onde de la lumière, rendant impossible l'imagerie utilisant la microscopie optique traditionnelle."

Cependant, la lumière peut transporter une quantité considérable d'énergie. "Lorsque l'énergie d'un photon est suffisamment forte pour faire sortir un électron du matériau, c'est ce qu'on appelle l'effet photoélectrique, " explique Wätzel. Cet effet a été prédit par Einstein. Les spectromètres peuvent détecter les propriétés du photoélectron émis. La spectroscopie photoélectronique est actuellement le principal outil utilisé pour analyser la structure électronique d'un matériau. " De nombreux états quantiques ne sont pas excités par les photons et restent donc invisibles , " explique Wätzel.

Avec une équipe internationale de chercheurs, il a développé une nouvelle méthode pour fournir plus d'informations au photoélectron. Pour faire ça, les physiciens combinent des faisceaux laser conventionnels avec des tourbillons de lumière, les tourbillons dits optiques. "Cela force les ondes lumineuses sur une trajectoire hélicoïdale avec un moment angulaire. Lorsqu'elles interagissent avec la matière, des électrons sont éjectés et ce mouvement hélicoïdal est transmis, " explique Wätzel. Lorsque cela est combiné avec la spectroscopie, des propriétés auparavant invisibles du matériau peuvent être détectées. Comment et si le photoélectron interagit avec l'onde de lumière tordue et commence à se tourner, dépend en grande partie des propriétés du matériau.

L'expérience très complexe a été réalisée en utilisant le laser à électrons libres FERMI, situé à Trieste, Italie. "Il y avait un excellent accord entre les prédictions théoriques et les résultats de mesure, " dit Wätzel. " Cette méthode de spectroscopie ouvre la voie à de nouvelles connaissances sur la structure de la matière et son interaction avec la lumière. A quoi ressemble une molécule, qu'il tourne dans le sens horaire ou antihoraire, si un matériau peut conduire l'électricité ou est magnétique, tout dépend de la structure électronique." En effet, la méthode peut être appliquée universellement et peut être utilisée dans un large éventail d'applications, de la médecine à l'électronique et à la science des matériaux.