El efecto fotoeléctrico, por el cual los fotones que inciden en la materia causan la emisión de electrones, es uno de los efectos por excelencia de la mecánica cuántica. Einstein explicó el mecanismo clave subyacente al fenómeno en 1905, lo que le valió el Premio Nobel de Física de 1921. Se basó en un concepto introducido apenas cinco años antes por Max Planck: la energía electromagnética se absorbe y emite solo en paquetes discretos, es decir, en cuantos. El concepto cuántico revolucionó la física. El efecto fotoeléctrico, por su parte, se ha explorado con cada vez más detalle y hoy en día se explota en aplicaciones que van desde las células solares hasta las gafas de visión nocturna. Un cambio en nuestra comprensión del efecto se produjo en la última década más o menos. Los experimentos con láser hicieron posible observar directamente la intrincada dinámica cuántica que se desarrolla en la escala de tiempo de attosegundos a medida que los electrones se eliminan de su sistema padre cuando interactúan con la luz. Sin embargo, las mediciones resueltas en el tiempo del proceso de fotoionización en su forma posiblemente más pura, la absorción y emisión de fotones individuales por un solo electrón no unido, siguieron siendo difíciles de alcanzar. Hasta ahora.
Escribiendo en la revista Optica, Jaco Fuchs y colegas del grupo de Física Láser Ultrarrápida del Prof. Ursula Keller del Instituto de Electrónica Cuántica, trabajando con colaboradores en Estados Unidos, Austria y España, reportan un experimento en el que midieron por primera vez cómo la absorción y emisión de fotones individuales altera la dinámica de un electrón que no está unido a un núcleo atómico, pero aún siente su potencial de Coulomb. Al introducir un nuevo protocolo experimental, descubrieron que la dinámica depende del momento angular del electrón fotoionizado: midieron un retraso de hasta 12 attosegundos entre los electrones s y d salientes en helio. Esta es una firma sutil pero inconfundible de efectos mecánicos cuánticos subyacentes. Y también observaron fenómenos fundamentales de origen clásico: midieron cambios de fase que reflejan que en los electrones d la propagación hacia afuera es más lenta que en los electrones s. Esto puede explicarse por la mayor fracción de energía de rotación y, por lo tanto, una energía radial más baja en los electrones d.
Extrayendo la contribución de fotones individuales
Estos resultados marcan varios ‘primeros’. El grupo Keller ha sido pionero en varias áreas de la ciencia, incluida la medición de retardos de tiempo de attosegundos en la fotoionsación, que surgen a medida que los electrones fotoexcitados se propagan en el potencial del ion padre, lo que resulta en un retardo de grupo medible. La medición de estos retardos de tiempo a escala de attosegundos típicamente involucra al menos dos fotones, lo que hace excepcionalmente difícil extraer la contribución de fotones individuales. Fuchs et al. ahora encontré una manera de hacer precisamente eso.
En su caso, también están involucrados dos fotones, uno en el ultravioleta extremo (XUV) y el otro en el rango infrarrojo (IR). Pero idearon un procedimiento de ajuste que les permitió extraer de sus datos de alta calidad las amplitudes y fases relativas de todas las vías cuánticas a través de las cuales la fotoionsación procede en su sistema. De esta manera fueron capaces de aislar las diferentes contribuciones de los fotones IR, que son los que inducen transiciones en un electrón no unido (mientras que los fotones XUV ionizan el átomo, transfiriendo un electrón de un estado unido al continuo).
Medición directa de los retrasos derivados de Bremsstrahlung
No solo los físicos de ETH obtuvieron por primera vez acceso a los retrasos de tiempo de cualquier transición de un fotón. También son las primeras mediciones de tales retrasos de tiempo para la absorción y emisión de fotones por electrones no unidos, un fenómeno conocido como Bremsstrahlung (inverso). Los resultados experimentales son bien reproducidos por dos métodos teóricos independientes empleados por Fuchs y colegas. Estas simulaciones también proporcionan evidencia de que algunos de los efectos observados son universales, en el sentido de que son independientes de la especie atómica del ion padre.
Este trabajo ilustra que también 115 años después del trabajo seminal de Einstein, el efecto fotoeléctrico no deja de inspirar. Las herramientas introducidas por Fuchs y compañeros de trabajo proporcionan nuevas capacidades experimentales para estudiar la dinámica de fotoionización, tanto en átomos como en moléculas pequeñas. Estos estudios, a su vez, podrían proporcionar una comprensión más completa de los retrasos en el tiempo de fotoemisión, en particular en presencia de interacciones de rango intermedio a largo.
