Quantum-mechanical modulation of electrons at photoemission

Summary

The quantum-mechanical modulation of an electron beam crossing a laser-irradiated solid has been observed and discussed extensively, and similar modulation has been concluded for electron beams crossing solids generating discrete energy losses by plasmons. Starting from the author's analysis of the coherence conditions for electron beams, we define the state of the quantum modulation as a special property of a coherent beam after some inelastic scattering of the electrons in solids by photons or plasmons. From this results the quantum modulation of the electrons emitted from a photocathode by a totally reflected laser beam is discussed, if a volume photoeffect is considered, if at least a part of the photoelectrons have not been scattered inelastically during their transport process within the cathode, and if an anti-Stokes scattering of photoelectrons by the laser photons takes place analogously to the observed modulation effect. The very high monochromaticity of the laser radiation will result in electron beams of very long modulation lengths. Preliminary experiments of Farkas seem to agree with these results.

Zusammenfassung

Die quantenmechanische Modulation eines Elektronenstrahles bei Durchqueren eines laserbestrahlten Festkörpers war beobachtet und eingehend diskutiert worden; eine ähnliche Modulation war für Elektronenstrahlen beim Durchqueren von Festkörpern unter Erzeugung diskreter Energieverluste durch Plasmonen gefolgert worden. Ausgehend von des Authors Untersuchung der Kohärenzbedingungen für den Elektronenstrahl, wird der Zustand der Quantenmodulation als eine spezielle Eigenschaft eines kohärenten Strahls nach bestimmten unelastischen Struungen der Elektronen mit Photonen oder Plasmonen in Festkörpern definiert. Mit diesem Ergebnis wird die Quantenmodulation der aus einer Photokathode emittierten Elektronen bei einfallendem totalreflektiertem Laserlicht diskutiert: wenn ein Volumenphotoeffekt vorliegt, wenn wenigstens ein Teil der Photoelektronen beim Transportprozeß innerhalb der Kathode nicht unelastisch gestreut wird, und wenn Anti-Stokes-Streuungen der Photoelektronen durch Laserphotonen in Analogie zum beobachteten Modulationseffekt stattfinden. Die sehr hohe Monochromasie der Laserstrahlung ergibt eine sehr lange Modulationslänge des Elektronenstrahles. Vorläufige Experimente von Farkas scheinen mit diesen Ergebnissen übereinzustimmen.

Riassunto

Si è osservata e discussa estesamente la modulazione quantomeccanica di un fascio di elettroni che attraversi un solido sottoposto a irraggiamento laser, e si è concluso per una modulazione simile nel caso di fasci di elettroni che attraversino solidi generando perdite discrete di energia da parte dei plasmoni. Partendo dall'analisi fatta dall'autore delle condizioni di coerenza per fasci di elettroni, si definisce lo stato di modulazione quantistica come una proprietà speciale di un fascio coerente dopo un qualche scattering anelastico degli elettroni in solidi causato da fotoni oppure plasmoni. A partire da questi risultati si discute la modulazione quantistica degli elettroni emessi da un fotocatodo da parte di un fascio laser totalmente riflesso, se si considera un effetto fotoelettrico di volume, se almeno una parte degli elettroni emessi per effetto fotoelettrico non ha subito scattering anelastico nel processo di trasporto dentro il catodo, e come se analogamente all'effetto osservato di modulazione abbia luogo uno scattering anti-Stokes degli elettroni fotoelettrici da parte dei fotoni del laser. L'altissima monocromaticità della radiazione laser darebbe luogo a fasci di elettroni con lunghezze d'onda di modulazione molto grandi. Sembra che gli esperimenti preliminari di Farkas concordino con questi risultati.

Резюме

Наблюдается и обсуждается квантовомеханическая модуляция электронного пучка, проходящего через лазер. Аналогичвая модуляция была установлена для электронных пучков, проходящих через твердые тела, генерирующие дискретные потери энергии, благодаря плазмонам. Исходя из нашего анализа когерентных условий для электронных пучков, определяется состояние кванторой модуляции, как особое свойство когерентного пучка после неупругого рассеяния электронов в твердых телах на фотонах или плазмонах. Исходя из полученных результатов, обсуждается квантовая модуляция электронов, испущенных фотокатодом в результате полного отражения лазерного луча, если рассматривается объемный фотоэффект, если, по крайней мере, часть фотоэлектронов не рассеивается неупруго во время движения в фотокатоде и еслиантистоксовское рассеяние фотоэлектронов на лазерных фотонах происходит аналогично наблюденному эффекту модуляции. Очень высокая монохроматичность лазерного излучения дает электронные пучки с очень большими длинами модуляции. Предварительные экспериментальные данные Фаркаша, псвидимому, согласуются с этими результатами.