o efeito fotoelétrico, pelo qual os fótons que impingem na matéria causam a emissão de elétrons, é um dos efeitos quintessenciais da mecânica quântica. Einstein explicou famosamente o mecanismo-chave subjacente ao fenômeno em 1905, ganhando-lhe o Prêmio Nobel de Física de 1921. He built on a concept introduced merely five years earlier by Max Planck: electromagnetic energy is absorbed and emitted only in discrete packets — that is, in quanta. O conceito quântico revolucionou a física. O efeito fotoelétrico, por sua vez, tem sido explorado em cada detalhe, e é atualmente explorado em aplicações que vão desde células solares a Óculos de visão noturna. Uma mudança na nossa compreensão do efeito veio na última década ou assim. Experimentos com Laser tornaram possível olhar diretamente para a dinâmica quântica intrincada que se desdobra na escala de tempo de atosegundo quando os elétrons são removidos de seu sistema pai quando interagem com a luz. No entanto, medições com resolução de tempo do processo de fotoionização em sua forma indiscutivelmente mais pura — a absorção e emissão de fótons únicos por um único elétron não ligado — permaneceram evasivas. Até agora.
Writing in the journal Optica, Jaco Fuchs and colleagues in the Ultrafast Laser Physics group of Prof. Ursula Keller no Instituto de Quantum Electronics, trabalhando com colaboradores NOS eua, Áustria e Espanha, o relatório de um experimento em que eles mediram, pela primeira vez, como a absorção e a emissão de uma única fótons altera a dinâmica de um elétron, que não está vinculado a um núcleo atômico, mas ainda sente o seu potencial de Coulomb. Introduzindo um novo protocolo experimental, eles descobriram que a dinâmica depende do momento angular do elétron fotoionizado: eles mediram um atraso de até 12 atosegundos entre os elétrons s – e d-de saída em hélio. Esta é uma assinatura subtil, mas inconfundível, dos efeitos da mecânica quântica subjacente. E eles observaram fenômenos fundamentais de origem clássica, também: eles mediram mudanças de fase que refletem que em D-elétrons a propagação externa é mais lenta do que em s-elétrons. Isto pode ser explicado pela maior fração da energia rotacional e, portanto, uma menor energia radial em D-elétrons.
Extracting the contribution of single photons
These results mark several ‘firsts’. O Grupo Keller foi pioneiro em várias áreas de atosciência, incluindo a medição de atrasos de tempo de atosegundo na fotoionação, que surgem à medida que elétrons fotoexcitados se propagam no potencial do íon-mãe, resultando em um atraso de grupo mensurável. A medição desses atrasos em escala de atosegundo tipicamente envolve pelo menos dois fótons, tornando excepcionalmente difícil extrair a contribuição de fótons únicos. Fuchs et al. agora encontrei uma maneira de fazer isso.
in their case two photons are involved too, one in the extreme ultraviolet (XUV) and the other in the infrared (IR) range. Mas eles conceberam um procedimento adequado que lhes permitiu extrair de seus dados de alta qualidade as amplitudes e fases relativas de todas as vias quânticas através das quais a fotoionação prossegue em seu sistema. Desta forma, eles foram capazes de isolar as diferentes contribuições dos fótons de IR, que são os que induzem transições em um elétron não ligado (enquanto os fótons XUV ionizam o átomo, transferindo um elétron de um estado ligado ao continuum).
medição directa dos atrasos decorrentes de Bremsstrahlung
não só os físicos da ETH obtiveram pela primeira vez acesso a atrasos temporais de qualquer transição de um fóton. Eles também são as primeiras medições de tais atrasos de tempo para a absorção e emissão de fótons por elétrons não ligados, um fenômeno conhecido como (inverso) Bremsstrahlung. Os resultados experimentais são bem reproduzidos por dois métodos teóricos independentes, Fuchs e colegas empregados. Estas simulações também provam que alguns dos efeitos observados são universais, no sentido de que são independentes da espécie atômica do íon-mãe.Este trabalho ilustra que 115 anos depois do trabalho seminal de Einstein, o efeito fotoelétrico não deixa de inspirar. As ferramentas introduzidas por Fuchs e colegas de trabalho fornecem novas capacidades experimentais para o estudo da dinâmica da fotoionização, tanto em átomos como em pequenas moléculas. Tais estudos poderiam, por sua vez, proporcionar uma compreensão mais completa dos atrasos no tempo de fotoemissão, em particular na presença de interações a longo prazo.
