het foto-elektrisch effect, waarbij fotonen die de materie raken de emissie van elektronen veroorzaken, is een van de belangrijkste effecten van de kwantummechanica. Einstein legde in 1905 het belangrijkste mechanisme uit dat aan het fenomeen ten grondslag lag en leverde hem in 1921 de Nobelprijs voor de natuurkunde op. Hij bouwde voort op een concept dat slechts vijf jaar eerder door Max Planck werd geïntroduceerd: elektromagnetische energie wordt alleen geabsorbeerd en uitgezonden in discrete pakketten-dat wil zeggen in quanta. Het kwantumconcept bracht een revolutie teweeg in de fysica. Het foto-elektrisch effect is op zijn beurt steeds gedetailleerder onderzocht en wordt tegenwoordig benut in toepassingen variërend van zonnecellen tot nachtkijkers. Een verschuiving in ons begrip van het effect kwam in de afgelopen tien jaar of zo. Laserexperimenten maakten het mogelijk om direct te kijken naar de ingewikkelde kwantumdynamica die zich ontvouwt op de attoseconde tijdschaal als elektronen uit hun oudersysteem worden verwijderd wanneer ze met licht interageren. Echter, tijd-opgelost metingen van het foto-ionisatieproces in zijn aantoonbaar zuiverste vorm-de absorptie en emissie van enkele fotonen door een enkele ongebonden elektron-bleef ongrijpbaar. Tot nu toe.
schrijven in het tijdschrift Optica, Jaco Fuchs en collega ‘ s in de ultrasnelle Laserfysica groep van Prof. Ursula Keller van het Institute of Quantum Electronics, in samenwerking met medewerkers in de VS, Oostenrijk en Spanje, rapporteert een experiment waarin ze voor het eerst meten hoe de absorptie en emissie van enkele fotonen de dynamica verandert van een elektron dat niet gebonden is aan een atoomkern, maar nog steeds zijn Coulomb-potentieel voelt. Bij de introductie van een nieuw experimenteel protocol ontdekten ze dat de dynamiek afhangt van het impulsmoment van het foto – ionized elektron: ze meenden een vertraging van maximaal 12 attoseconden tussen uitgaande s-en d-elektronen in helium. Dit is een subtiele maar onmiskenbare signatuur van onderliggende kwantummechanische effecten. En ze observeerden ook fundamentele verschijnselen van klassieke oorsprong: ze meetten faseveranderingen die weerspiegelen dat in d-elektronen de uitwendige voortplanting langzamer is dan in s-elektronen. Dit kan worden verklaard door de grotere fractie van rotatie-energie en dus een lagere radiale energie in D-elektronen.
extractie van de bijdrage van enkele fotonen
deze resultaten markeren verschillende ‘primeurs’. De Keller groep heeft verschillende gebieden van attoscience, met inbegrip van de meting van attoseconde tijdvertragingen in photoionsation, die zich voordoen als fotoexcited elektronen verspreiden in het potentieel van het ouderion, resulterend in een meetbare groepsvertraging. De meting van deze atoseconde-schaal tijdvertragingen impliceert typisch ten minste twee fotonen, die het uitzonderlijk moeilijk maken om de bijdrage van enige fotonen te extraheren. Fuchs et al. nu heb ik een manier gevonden om dat te doen.
hierbij zijn ook twee fotonen betrokken, één in het extreme ultraviolet (XUV) en de andere in het infrarood (IR) bereik. Maar ze bedachten een passende procedure die hen in staat stelde om uit hun hoogwaardige gegevens de amplitudes en relatieve fasen te halen van alle kwantumwegen waardoor de foto-ionisatie in hun systeem verloopt. Op deze manier konden ze de verschillende bijdragen van de IR-fotonen isoleren, die overgangen induceren in een ongebonden elektron (terwijl de XUV-fotonen het atoom ioniseren door een elektron van een gebonden toestand naar het continuüm over te brengen).
directe meting van vertragingen als gevolg van Bremsstrahlung
niet alleen kregen de ETH-fysici voor het eerst toegang tot tijdsvertragingen door een overgang van één foton. Hun zijn ook de eerste metingen van dergelijke vertragingen voor de absorptie en emissie van fotonen door ongebonden elektronen, een fenomeen dat bekend staat als (inverse) Bremsstrahlung. De experimentele resultaten worden goed gereproduceerd door twee onafhankelijke theoretische methoden die Fuchs en zijn collega ‘ s toepassen. Deze simulaties leveren ook bewijs dat sommige van de waargenomen effecten universeel zijn, in de zin dat ze onafhankelijk zijn van de atomaire soorten van het ouderion.Dit werk illustreert dat ook 115 jaar na Einsteins baanbrekende werk, het foto-elektrisch effect niet ophoudt te inspireren. De door Fuchs en collega ‘ s geà ntroduceerde tools bieden nieuwe experimentele mogelijkheden voor het bestuderen van de dynamica van foto-ionisatie, zowel in atomen als in kleine moleculen. Dergelijke studies zouden op hun beurt een beter inzicht kunnen verschaffen in de tijdvertragingen van de fotoemissie, in het bijzonder in de aanwezigheid van interacties in de tussen-tot-lange waaier.
