Докторант Александр Хартунг дважды стал отцом при постройке аппарата. Устройство длиной три метра и 2.5 метров в высоту, содержит примерно столько же деталей, сколько и автомобиль. Он находится в экспериментальном зале Физического корпуса в кампусе Ридберг, окруженный непрозрачной черной палаткой, внутри которой находится сверхэффективный лазер. Его фотоны сталкиваются с отдельными атомами аргона в аппарате и тем самым удаляют по одному электрону от каждого из атомов.
Импульс этих электронов в момент их появления измеряется с чрезвычайной точностью в длинной трубке прибора.
Устройство является дальнейшим развитием принципа COLTRIMS, который был изобретен во Франкфурте и тем временем распространился по всему миру: он состоит из ионизации отдельных атомов или разрушения молекул с последующим точным определением импульса частиц.
Однако передача импульса фотона электронам, предсказанная теоретическими расчетами, настолько мала, что ранее было невозможно измерить ее. И именно поэтому Хартунг построил "super COLTRIMS"."
Когда многочисленные фотоны лазерного импульса бомбардируют атом аргона, они ионизируют его. Разрушение атома частично расходует энергию фотона.
Оставшаяся энергия передается высвободившемуся электрону. Вопрос о том, какой партнер реакции (электрон или ядро атома) сохраняет импульс фотона, занимал физиков более 30 лет. «Самая простая идея такова: пока электрон прикреплен к ядру, импульс передается более тяжелой частице, i.е., ядро атома.
Как только фотон вырывается, импульс фотона передается электрону », – объясняет руководитель Хартунга, профессор Рейнхард Дорнер из Института ядерной физики. Это было бы аналогично тому, как ветер передает свой импульс парусу лодки.
Пока парус прочно прикреплен, сила ветра толкает лодку вперед. Однако в тот момент, когда веревки рвутся, импульс ветра передается только парусу.
Однако ответ, который Александр Хартунг обнаружил в ходе своего эксперимента, – как это типично для квантовой механики – более удивителен.
Электрон не только получает ожидаемый импульс, но и еще одну треть импульса фотона, который на самом деле должен был передать ядру атома. Таким образом, парус лодки «знает» о надвигающейся аварии до того, как тросы порвутся, и украдет часть импульса лодки.
Чтобы более точно объяснить результат, Хартунг использует концепцию света как электромагнитной волны: «Мы знаем, что электроны туннелируют через небольшой энергетический барьер. При этом они отталкиваются от ядра сильным электрическим полем лазера, а магнитное поле передает этот дополнительный импульс электронам."
Хартунг использовал умную измерительную установку для эксперимента.
Чтобы гарантировать, что небольшой дополнительный импульс электрона не был случайно вызван асимметрией в аппарате, он направил лазерный импульс на газ с двух сторон: либо справа, либо слева, а затем одновременно с обоих направлений, что было самая большая проблема для измерительной техники. Этот новый метод прецизионных измерений обещает более глубокое понимание ранее неизученной роли магнитных компонентов лазерного света в атомной физике.