A kutatás középpontjában egy első látásra egyszerű kérdés áll: hogyan mozog egy elektron, ha a vele kölcsönható lézerfényt nem klasszikus elektromágneses hullámként, hanem kvantumos objektumként írjuk le? Hack Szabolcs, az ELI ALPS Elméleti és szimulációs kutatócsoportjának tudományos munkatársa és az SZTE Elméleti fizikai tanszékének adjunktusa szerint a kérdés azért különösen aktuális, mert az erős lézerterek kvantumos leírása világszerte intenzíven kutatott terület, amely a kvantumoptikát az erős terek és az attoszekundumos fizika jelenségeivel kapcsolja össze.
A klasszikus fizikában a lézerteret elektromágneses hullámként kezeljük, amelynek jól meghatározható tulajdonságai vannak. A kvantumoptikában azonban maga az elektromágneses tér is kvantumrendszer: a fénynek különböző kvantumállapotai lehetnek, amelyekhez elkerülhetetlen kvantumos bizonytalanságok, úgynevezett kvantumfluktuációk tartoznak. Ezek a tulajdonságok a hagyományos, klasszikus leírásban nem jelennek meg.
Földi Péternek, az ELI ALPS tudományos munkatársának, az SZTE Elméleti fizikai tanszék vezetőjének felvetésére a szegedi kutatók egy analitikusan megoldható modell segítségével azt vizsgálták, hogyan hatnak ezek a kvantumos tulajdonságok egyetlen elektron hullámcsomagjára. A New Journal of Physics folyóiratban közölt eredmények szerint az elektron hullámcsomagjának középpontja nagyrészt a klasszikus fizika alapján várható pályát követi. A kvantumos fény hatása azonban egy másik tulajdonságban válik jól láthatóvá: a hullámcsomag szélességében. Ez a szélesség az elektron helyének kvantummechanikai bizonytalanságát jellemzi, és a számítások szerint közvetlen kapcsolatban áll a vele kölcsönható lézertér kvantumfluktuációival.
„A lézertér kvantumos fluktuációi megjelennek az elektron pozíciójának kvantummechanikai bizonytalanságában” – fogalmaz Hack Szabolcs.
A felismerés egyik legfontosabb következménye, hogy az elektron viselkedése információt hordozhat a vele kölcsönható fény kvantumállapotáról. Ez hosszabb távon új lehetőséget kínálhat arra, hogy a fény kvantumos tulajdonságait az általa előidézett elektrondinamika megfigyelésén keresztül vizsgáljuk.
A kutatás másik izgalmas alkalmazási lehetősége, hogy a kapcsolat nemcsak mérésre, hanem szabályozásra is felhasználható lehet. A kutatók olyan nem klasszikus fényállapotokat is vizsgáltak, mint például a préselt állapotok, amelyekben a fény kvantumos bizonytalanságai meghatározott módon szabályozhatók. Ha a fény kvantumállapota kontrollálható, akkor ezen keresztül az elektron hullámcsomagjának bizonytalansága is befolyásolható lehet.
Ennek hosszabb távon akár az elektronmikroszkópiában is lehet jelentősége, ahol az elektronhullámcsomag tulajdonságainak minél pontosabb kontrollja fontos szerepet játszik. A mostani elméleti eredmények arra utalnak, hogy megfelelően megválasztott kvantumállapotú fénnyel az elektron hullámcsomagjának bizonytalansága is befolyásolható lehet, ami a jövőben új lehetőségeket nyithat az elektronnyalábok kvantumos szabályozásában.
A kutatás egy jól ismert fizikai probléma újrafogalmazása is. Egy szabad elektron és egy lézertér kölcsönhatása a klasszikus elektrodinamika tankönyvi példái közé tartozik. A mostani megközelítés azonban mindkét részt – az elektront és az elektromágneses teret – kvantummechanikai objektumként kezeli. Az elektron hullámcsomagként jelenik meg, miközben a fény nem egyszerűen egy klasszikus hullám, hanem egy kvantált, akár többmódusú elektromágneses mező. Ez a szemlélet lehetőséget ad arra, hogy a korábban klasszikus elméleti keretben már jól ismert folyamatokat újraértelmezzék, és olyan kérdéseket is feltegyenek, amelyekre a klasszikus leírás nem ad választ.
A téma jól illeszkedik a kutatóintézetünk számára is egyre fontosabb kvantumoptikai és erőstér-fizikai kutatási irányokhoz. A nagy intenzitású, ultrarövid lézerimpulzusok mellett ugyanis egyre nagyobb figyelem irányul a fény kvantumállapotára is. A kvantumos mérések azonban a hagyományos diagnosztikai módszerektől részben eltérő eszközöket és megközelítéseket igényelnek.
A most publikált eredmény ezért elsősorban elméleti alapkutatás, amelyhez a kutatók további tanulmányokat terveznek. A cél, hogy az analitikusan megoldható modell segítségével egyre pontosabban megértsék a kvantált elektromágneses mező és az anyag kölcsönhatását, majd az elméleti eredmények alapján később kísérleti megvalósítások és új mérési módszerek is születhessenek.
A kutatás egyik legfontosabb üzenete, hogy a fény kvantumossága az anyag viselkedésében is nyomot hagyhat. Egyetlen elektron hullámcsomagja megőrizheti a vele kölcsönható fény kvantumállapotának lenyomatát. Ez új perspektívát nyithat az erős lézerterek kvantumos diagnosztikájában, és hosszabb távon ahhoz is hozzájárulhat, hogy a kvantumos fény és az anyag kölcsönhatását ne csak megértsük, hanem célzottan szabályozni is tudjuk.