Albert Einstein recebeu o Prêmio Nobel por explicar o efeito fotoelétrico:em sua forma mais intuitiva, um único átomo é irradiado com luz. De acordo com Einstein, a luz consiste em partículas (fótons) que transferem apenas energia quantizada para o elétron do átomo. Se a energia do fóton for suficiente, ele tira os elétrons do átomo. Mas o que acontece com o momento do fóton neste processo? Os físicos da Universidade Goethe agora podem responder a essa pergunta. Para fazer isso, eles desenvolveram e construíram um novo espectrômetro com resolução anteriormente inatingível.

O doutorando Alexander Hartung se tornou pai duas vezes durante a construção do aparelho. O dispositivo, que tem três metros de comprimento e 2,5 metros de altura, contém aproximadamente tantas peças quanto um automóvel. Ele fica na sala de experimentos do prédio de Física no Campus de Riedberg, rodeado por um opaco, tenda preta dentro da qual é um laser de desempenho extremamente alto. Seus fótons colidem com átomos de argônio individuais no aparelho, e assim remover um elétron de cada um dos átomos. O momento desses elétrons no momento de seu aparecimento é medido com extrema precisão em um longo tubo do aparelho.

O dispositivo é um desenvolvimento posterior do princípio COLTRIMS (Sistema de impulso de interação de reação de teste de laser óptico de colisão) que foi inventado em Frankfurt e, entretanto, se espalhou por todo o mundo:consiste em ionizar átomos individuais, ou quebrar moléculas, e então determinar com precisão o momento das partículas. Contudo, a transferência do momento do fóton para os elétrons prevista por cálculos teóricos é tão pequena que antes não era possível medi-la. E é por isso que Hartung construiu o "super COLTRIMS".

Quando vários fótons de um pulso de laser bombardeiam um átomo de argônio, eles o ionizam. Quebrar o átomo consome parcialmente a energia do fóton. A energia restante é transferida para o elétron liberado. A questão de qual parceiro de reação (elétron ou núcleo do átomo) conserva o momento do fóton ocupa os físicos há mais de 30 anos. "A ideia mais simples é esta:enquanto o elétron estiver ligado ao núcleo, o momento é transferido para a partícula mais pesada, ou seja, o núcleo do átomo. Assim que se soltar, o momento do fóton é transferido para o elétron, "explica o supervisor de Hartung, Professor Reinhard Dörner do Instituto de Física Nuclear. Isso seria análogo ao vento transferindo seu ímpeto para a vela de um barco. Contanto que a vela esteja firmemente presa, o impulso do vento impulsiona o barco para a frente. No instante em que as cordas se rasgam, Contudo, o impulso do vento é transferido apenas para a vela.

Contudo, a resposta que Hartung descobriu por meio de seu experimento é - como é típico da mecânica quântica - mais surpreendente. O elétron não recebe apenas o momento esperado, mas, adicionalmente, um terço do momento do fóton que realmente deveria ter ido para o núcleo do átomo. A vela do barco, portanto, "sabe" do acidente iminente antes que as cordas se rompam e roubem um pouco do ímpeto do barco. Para explicar o resultado com mais precisão, Hartung usa o conceito de luz como uma onda eletromagnética:"Sabemos que os elétrons fazem um túnel através de uma pequena barreira de energia. Ao fazer isso, eles são puxados para longe do núcleo pelo forte campo elétrico do laser, enquanto o campo magnético transfere esse momento adicional para os elétrons. "

Hartung usou uma configuração de medição inteligente para o experimento. Para garantir que o pequeno momento adicional do elétron não fosse causado acidentalmente por uma assimetria no aparelho, ele fez com que o pulso de laser atingisse o gás de dois lados:da direita ou da esquerda, e então de ambas as direções simultaneamente, qual foi o maior desafio para a técnica de medição. Este novo método de medição de precisão promete uma compreensão mais profunda do papel até então inexplorado dos componentes magnéticos da luz laser na física atômica.