valosähköinen ilmiö, jossa aineeseen iskeytyvät fotonit aiheuttavat elektronien emission, on yksi kvanttimekaniikan keskeisistä vaikutuksista. Einstein selitti tunnetusti ilmiön taustalla olevan keskeisen mekanismin vuonna 1905, mistä hän sai Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1921. Hän rakentui Max Planckin vain viisi vuotta aiemmin esittelemälle käsitteelle: sähkömagneettinen energia absorboituu ja emittoituu vain diskreeteissä paketeissa-eli quantassa. Kvanttikäsite mullisti fysiikan. Valosähköistä ilmiötä on puolestaan tutkittu yhä tarkemmin, ja sitä hyödynnetään nykyään sovelluksissa aurinkokennoista pimeänäkölaitteisiin. Muutos ymmärryksessämme vaikutuksesta tapahtui noin kymmenen viime vuoden aikana. Laserkokeet tekivät mahdolliseksi tarkastella suoraan monimutkaista kvanttidynamiikkaa, joka kehittyy attosekunnin aikajänteellä, kun elektronit poistuvat emojärjestelmästään, kun ne vuorovaikuttavat valon kanssa. Fotoionisaatioprosessin ajallisesti selvitetyt mittaukset sen kiistatta puhtaimmassa muodossa – yksittäisten fotonien absorptio ja emissio yhden sitoutumattoman elektronin toimesta-jäivät kuitenkin vaikeasti saavutettaviksi. Tähän asti.
Optica-lehteen kirjoittivat Jaco Fuchs ja professorin ultranopean Laserfysiikan ryhmään kuuluvat kollegat. Ursula Keller Kvanttielektroniikan instituutista, joka työskentelee yhteistyökumppaneiden kanssa Yhdysvalloissa, Itävallassa ja Espanjassa, raportoi kokeesta, jossa he mittasivat ensimmäistä kertaa, miten yksittäisten fotonien absorptio ja emissio muuttaa sellaisen elektronin dynamiikkaa, joka ei ole sitoutunut atomiytimeen, mutta tuntee silti sen Coulombin potentiaalin. He ottivat käyttöön uuden kokeellisen protokollan ja havaitsivat, että dynamiikka riippuu fotoionisoidun elektronin kulmamomentista: he mittasivat jopa 12 attosekunnin viiveen heliumin lähtevien s – ja d-elektronien välillä. Tämä on hienovarainen, mutta selvä merkki kvanttimekaanisista vaikutuksista. Ja he havaitsivat myös klassisen alkuperän perusilmiöitä: he mittasivat faasimuutoksia, jotka heijastavat sitä, että D-elektroneilla ulospäin eteneminen on hitaampaa kuin s-elektroneilla. Tämä voidaan selittää sillä, että D-elektronien pyörimisenergia on suurempi ja siten pienempi säteisenergia.
yksittäisten fotonien osuus
nämä tulokset merkitsevät useita ”ensimmäisiä” tuloksia. Kellerin ryhmä on ollut edelläkävijä eri attotieteen alueilla, mukaan lukien fotoionsaation attosekuntien aikaviiveiden mittaaminen, jotka syntyvät fotoeksitoitujen elektronien lisääntyessä emoionin potentiaalissa, mikä johtaa mitattavaan ryhmäviiveeseen. Näiden attosekunnin aikaviiveiden mittaamisessa käytetään tyypillisesti vähintään kahta fotonia, mikä tekee yksittäisten fotonien osuuden erottamisesta poikkeuksellisen vaikeaa. Fuchs ym. nyt keksin tavan tehdä juuri niin.
niiden tapauksessa mukana on myös kaksi fotonia, toinen äärimmäisessä ultravioletissa (XUV) ja toinen infrapuna-alueella (IR). Mutta he keksivät sopivan menetelmän, jonka avulla he pystyivät poimimaan korkealaatuisista tiedoistaan kaikkien niiden kvanttireittien amplitudit ja suhteelliset vaiheet, joiden kautta fotoionsaatio etenee heidän järjestelmässään. Tällä tavoin he pystyivät eristämään IR-fotonien eri osuudet, jotka indusoivat siirtymiä sitoutumattomassa elektronissa (kun taas XUV-fotonit ionisoivat atomin siirtämällä elektronin sitoutuneesta tilasta jatkumoon).
Bremsstrahlungista johtuvien viiveiden suora mittaus
ainoastaan ETH: n fyysikot pääsivät ensimmäistä kertaa käsiksi aikaviiveisiin mistä tahansa yhden fotonin siirtymästä. Ne ovat myös ensimmäisiä mittauksia tällaisista sitoutumattomien elektronien fotonien absorptioon ja emissioon liittyvistä viiveistä, ilmiöstä, joka tunnetaan (käänteisenä) Bremsstrahlungina. Kokeelliset tulokset ovat hyvin toistettu kaksi riippumatonta teoreettisia menetelmiä Fuchs ja työtovereiden palveluksessa. Nämä simulaatiot antavat myös näyttöä siitä, että osa havaituista vaikutuksista on universaaleja siinä mielessä, että ne ovat riippumattomia emoionin atomilajeista.
tämä teos havainnollistaa, että myöskään 115 vuotta Einsteinin uraauurtavan työn jälkeen valosähköinen ilmiö ei lakkaa inspiroimasta. Fuchsin ja työtovereiden esittelemät työkalut tarjoavat uusia kokeellisia valmiuksia fotoionisaatiodynamiikan tutkimiseen sekä atomeissa että pienissä molekyyleissä. Tällaiset tutkimukset voisivat puolestaan antaa kattavamman käsityksen fotosäteilyn aikaviiveistä, erityisesti väli-ja pituusvälin vuorovaikutusten osalta.
