den fotoelektriske effekt, hvorved fotoner, der påvirker stof, forårsager emission af elektroner, er en af kvintessens virkninger af kvantemekanik. Einstein forklarede berømt nøglemekanismen bag fænomenet i 1905 og tjente ham Nobelprisen i fysik i 1921. Han byggede på et koncept, der kun blev introduceret fem år tidligere af maks Planck: elektromagnetisk energi absorberes og udsendes kun i diskrete pakker-det vil sige i kvanta. Kvantekonceptet revolutionerede fysikken. Den fotoelektriske effekt er på sin side blevet udforsket i stadig større detaljer og udnyttes i dag i applikationer, der spænder fra solceller til nattsynsbriller. Et skift i vores forståelse af effekten kom i det sidste årti eller deromkring. Lasereksperimenter gjorde det muligt at se direkte på den indviklede kvantedynamik, der udfolder sig ved attosekundens tidsskala, da elektroner fjernes fra deres modersystem, når de interagerer med lys. Imidlertid forblev tidsopløste målinger af fotoioniseringsprocessen i sin uden tvivl reneste form-absorption og emission af enkeltfotoner med en enkelt ubundet elektron-undvigende. Indtil nu.
Skrivning i tidsskriftet Optica, Jaco Fuchs og kolleger i den ultrahurtige laserfysik gruppe af Prof. Ursula Keller ved Institut for Kvanteelektronik, der arbejder med samarbejdspartnere i USA, Østrig og Spanien, rapporterer et eksperiment, hvor de for første gang målte, hvordan absorption og emission af enkeltfotoner ændrer dynamikken i en elektron, der ikke er bundet til en atomkerne, men stadig føler sit Coulomb-potentiale. Introduktion af en ny eksperimentel protokol fandt de, at dynamikken afhænger af den fotoioniserede elektrons vinkelmoment: de målte en forsinkelse på op til 12 attosekunder mellem udgående s – og d-elektroner i helium. Dette er en subtil, men umiskendelig signatur af underliggende kvantemekaniske effekter. Og de observerede også grundlæggende fænomener af klassisk Oprindelse: de målte faseændringer, der afspejler, at I d-elektroner er den udadvendte udbredelse langsommere end i s-elektroner. Dette kan forklares med den større brøkdel af rotationsenergi og dermed en lavere radial energi i d-elektroner.
udtrækning af bidrag fra enkeltfotoner
disse resultater markerer flere ‘firsts’. Keller-gruppen har været banebrydende for forskellige områder af attovidenskab, herunder måling af attosekund tidsforsinkelser i fotoionsation, der opstår, når fotoeksponerede elektroner formerer sig i forældreionets potentiale, hvilket resulterer i en målbar gruppeforsinkelse. Målingen af disse tidsforsinkelser i anden skala involverer typisk mindst to fotoner, hvilket gør det usædvanligt vanskeligt at udtrække bidraget fra enkeltfotoner. Fuchs et al. nu fundet en måde at gøre netop det.
i deres tilfælde er to fotoner også involveret, den ene i det ekstreme ultraviolette (HSUV) og den anden i det infrarøde (IR) område. Men de udtænkte en passende procedure, der gjorde det muligt for dem at udtrække amplituder og relative faser af alle kvanteveje, gennem hvilke photoionsation fortsætter i deres system fra deres data af høj kvalitet. På denne måde var de i stand til at isolere de forskellige bidrag fra IR-fotonerne, som er dem, der inducerer overgange i en ubundet elektron (hvorimod KSUV-fotonerne ioniserer atomet ved at overføre en elektron fra en bundet tilstand til kontinuumet).
direkte måling af forsinkelser som følge af Bremsstrahlung
ikke kun fik ETH-fysikerne for første gang adgang til tidsforsinkelser fra enhver One-photon-overgang. Deres er også de første målinger af sådanne tidsforsinkelser for absorption og emission af fotoner af ubundne elektroner, et fænomen kendt som (invers) Bremsstrahlung. De eksperimentelle resultater gengives godt af to uafhængige teoretiske metoder Fuchs og kolleger ansat. Disse simuleringer giver også bevis for, at nogle af de observerede effekter er universelle i den forstand, at de er uafhængige af atomarterne i forældreionen.
dette arbejde illustrerer, at også 115 år efter Einsteins sædvanlige arbejde ophører den fotoelektriske effekt ikke med at inspirere. Værktøjerne introduceret af Fuchs og kolleger giver nye eksperimentelle evner til at studere fotoioniseringsdynamik, både i atomer og i små molekyler. Sådanne undersøgelser kunne igen give en bedre forståelse af fotoemissionstidsforsinkelser, især i nærvær af interaktioner i mellem-til-lang rækkevidde.
