Der photoelektrische Effekt, bei dem auf Materie auftreffende Photonen die Emission von Elektronen verursachen, ist einer der wesentlichen Effekte der Quantenmechanik. Einstein erklärte 1905 den Schlüsselmechanismus, der dem Phänomen zugrunde lag, und erhielt 1921 den Nobelpreis für Physik. Er baute auf einem Konzept auf, das erst fünf Jahre zuvor von Max Planck eingeführt worden war: Elektromagnetische Energie wird nur in diskreten Paketen – also in Quanten – absorbiert und emittiert. Das Quantenkonzept revolutionierte die Physik. Der photoelektrische Effekt seinerseits wurde immer detaillierter erforscht und wird heutzutage in Anwendungen von Solarzellen bis hin zu Nachtsichtbrillen genutzt. Eine Verschiebung in unserem Verständnis des Effekts kam in den letzten zehn Jahren oder so. Laserexperimente ermöglichten es, die komplizierte Quantendynamik direkt zu betrachten, die sich auf der Attosekunden-Zeitskala entfaltet, wenn Elektronen aus ihrem Muttersystem entfernt werden, wenn sie mit Licht interagieren. Zeitaufgelöste Messungen des Photoionisationsprozesses in seiner wohl reinsten Form – der Absorption und Emission einzelner Photonen durch ein einzelnes ungebundenes Elektron – blieben jedoch schwer fassbar. Bis jetzt.
Jaco Fuchs und Kollegen aus der Gruppe Ultraschnelle Laserphysik von Prof. Ursula Keller vom Institut für Quantenelektronik berichtet von einem Experiment, bei dem sie erstmals gemessen haben, wie die Absorption und Emission einzelner Photonen die Dynamik eines Elektrons verändert, das nicht an einen Atomkern gebunden ist, aber dennoch sein Coulomb-Potential spürt. Mit einem neuartigen experimentellen Protokoll stellten sie fest, dass die Dynamik vom Drehimpuls des photoionisierten Elektrons abhängt: Sie maßen eine Verzögerung von bis zu 12 Attosekunden zwischen ausgehenden s- und d-Elektronen in Helium. Dies ist eine subtile, aber unverkennbare Signatur der zugrunde liegenden quantenmechanischen Effekte. Und sie beobachteten auch fundamentale Phänomene klassischen Ursprungs: Sie maßen Phasenänderungen, die widerspiegeln, dass bei d-Elektronen die Ausbreitung nach außen langsamer ist als bei s-Elektronen. Dies kann durch den größeren Anteil an Rotationsenergie und damit eine geringere radiale Energie in d-Elektronen erklärt werden.
Extraktion des Beitrags einzelner Photonen
Diese Ergebnisse markieren mehrere ‚Premieren‘. Die Keller-Gruppe hat Pionierarbeit in verschiedenen Bereichen der Attowissenschaften geleistet, einschließlich der Messung von Attosekunden-Zeitverzögerungen bei der Photoionisation, die entstehen, wenn sich photoerregte Elektronen im Potential des Elternions ausbreiten, was zu einer messbaren Gruppenverzögerung führt. Die Messung dieser Zeitverzögerungen im Attosekundenbereich umfasst typischerweise mindestens zwei Photonen, was es außerordentlich schwierig macht, den Beitrag einzelner Photonen zu extrahieren. In: Fuchs et al. jetzt habe ich einen Weg gefunden, genau das zu tun.
In ihrem Fall sind auch zwei Photonen beteiligt, eines im extremen ultravioletten (XUV) und das andere im infraroten (IR) Bereich. Sie entwickelten jedoch ein passendes Verfahren, mit dem sie aus ihren qualitativ hochwertigen Daten die Amplituden und relativen Phasen aller Quantenwege extrahieren konnten, über die die Photoionisation in ihrem System abläuft. Auf diese Weise konnten sie die verschiedenen Beiträge der IR-Photonen isolieren, die Übergänge in einem ungebundenen Elektron induzieren (während die XUV-Photonen das Atom ionisieren, indem sie ein Elektron aus einem gebundenen Zustand in das Kontinuum übertragen).
Direkte Messung von Verzögerungen durch Bremsstrahlung
Die ETH-Physiker erhielten nicht nur erstmals Zugang zu Zeitverzögerungen bei einem Ein-Photonen-Übergang. Sie sind auch die ersten Messungen solcher Zeitverzögerungen für die Absorption und Emission von Photonen durch ungebundene Elektronen, ein Phänomen, das als (inverse) Bremsstrahlung bekannt ist. Die experimentellen Ergebnisse sind gut reproduziert durch zwei unabhängige theoretische Methoden Fuchs und Kollegen beschäftigt. Diese Simulationen liefern auch den Beweis, dass einige der beobachteten Effekte universell sind, in dem Sinne, dass sie unabhängig von der Atomspezies des Elternions sind.
Diese Arbeit zeigt, dass auch 115 Jahre nach Einsteins bahnbrechendem Werk der photoelektrische Effekt nicht aufhört zu inspirieren. Die von Fuchs und Kollegen vorgestellten Werkzeuge bieten neue experimentelle Möglichkeiten zur Untersuchung der Photoionisationsdynamik sowohl in Atomen als auch in kleinen Molekülen. Solche Studien könnten wiederum ein umfassenderes Verständnis der Photoemissionszeitverzögerungen liefern, insbesondere bei Wechselwirkungen im mittleren bis langen Bereich.
