efekt fotoelektryczny, w którym fotony uderzające w materię powodują emisję elektronów, jest jednym z kwintesencji mechaniki kwantowej. Einstein słynnie wyjaśnił kluczowy mechanizm leżący u podstaw tego zjawiska w 1905 roku, zdobywając w 1921 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Opierał się na koncepcji wprowadzonej zaledwie pięć lat wcześniej przez Maxa Plancka: energia elektromagnetyczna jest absorbowana i emitowana tylko w dyskretnych pakietach, czyli w kwantach. Koncepcja kwantowa zrewolucjonizowała fizykę. Efekt fotoelektryczny ze swojej strony był coraz bardziej szczegółowo badany i jest obecnie wykorzystywany w zastosowaniach od ogniw słonecznych po noktowizory. Zmiana w naszym rozumieniu tego efektu nastąpiła w ciągu ostatniej dekady. Eksperymenty laserowe umożliwiły bezpośrednie spojrzenie na skomplikowaną dynamikę kwantową, która rozwija się w czasie attosekundy, gdy elektrony są usuwane z układu macierzystego podczas interakcji ze światłem. Jednak pomiary czasu procesu fotojonizacji w jego prawdopodobnie najczystszej postaci-absorpcji i emisji pojedynczych fotonów przez pojedynczy niezwiązany elektron-pozostały nieuchwytne. Aż do teraz.
pisząc w czasopiśmie Optica, Jaco Fuchs i współpracownicy w ultraszybkiej grupie fizyki laserowej prof. Ursula Keller z Institute of Quantum Electronics, współpracująca ze współpracownikami w USA, Austrii i Hiszpanii, relacjonuje eksperyment, w którym po raz pierwszy zmierzyli, jak absorpcja i emisja pojedynczych fotonów zmienia dynamikę elektronu, który nie jest związany z jądrem atomowym, ale nadal czuje swój potencjał Coulomba. Wprowadzając nowy eksperymentalny protokół, odkryli, że dynamika zależy od momentu pędu fotojonizowanego elektronu: zmierzyli opóźnienie do 12 attosekund między wychodzącymi elektronami s I d w Helu. Jest to subtelny, ale niepodważalny podpis leżących u podstaw efektów kwantowo-mechanicznych. Obserwowali też fundamentalne zjawiska o klasycznym pochodzeniu: mierzyli zmiany fazowe, które odzwierciedlają, że w elektronach d propagacja Na zewnątrz jest wolniejsza niż w elektronach S. Można to wytłumaczyć większym ułamkiem energii obrotowej, a tym samym niższą energią radialną w elektronach D.
wyodrębnianie udziału pojedynczych fotonów
te wyniki oznaczają kilka „pierwszych”. Grupa Keller jest pionierem w różnych dziedzinach attoscience, w tym pomiaru attosecond opóźnienia czasowe w fotoionsation, które powstają jak fotoexcited elektrony propagować w potencjale jonu macierzystego, w wyniku mierzalnego opóźnienia grupy. Pomiar tych opóźnień czasowych w skali attosekundy zazwyczaj obejmuje co najmniej dwa fotony, co sprawia, że wyjątkowo trudno jest wyodrębnić udział pojedynczych fotonów. Fuchs et al. teraz znalazłem sposób, aby to zrobić.
w ich przypadku zaangażowane są również dwa fotony, jeden w ekstremalnym ultrafiolecie (XUV), a drugi w zakresie podczerwieni (IR). Ale opracowali procedurę dopasowania, która umożliwiła im wyodrębnienie z wysokiej jakości danych amplitud i względnych faz wszystkich szlaków kwantowych, przez które przechodzi fotoionsacja w ich systemie. W ten sposób udało im się wyizolować różne wkłady fotonów IR, które indukują przejścia w niezwiązanym elektronie (podczas gdy fotony XUV jonizują atom, przenosząc elektron ze stanu związanego do kontinuum).
bezpośredni pomiar opóźnień wynikających z Bremsstrahlung
nie tylko fizycy ETH uzyskali po raz pierwszy dostęp do opóźnień czasowych z dowolnego przejścia jednofotonowego. Są to również pierwsze pomiary takich opóźnień czasowych absorpcji i emisji fotonów przez niezwiązane elektrony, zjawisko znane jako (odwrotne) Bremsstrahlung. Wyniki eksperymentów są dobrze odwzorowane przez dwie niezależne metody teoretyczne zastosowane przez Fuchsa i współpracowników. Symulacje te dostarczają również dowodów na to, że niektóre z obserwowanych efektów są uniwersalne, w tym sensie, że są niezależne od gatunku atomowego jonu macierzystego.
praca ta pokazuje, że również 115 lat po przełomowej pracy Einsteina efekt fotoelektryczny nie przestaje inspirować. Narzędzia wprowadzone przez Fuchsa i współpracowników zapewniają nowe możliwości eksperymentalne do badania dynamiki fotojonizacji, zarówno w atomach, jak i w małych cząsteczkach. Takie badania mogłyby z kolei zapewnić pełniejsze zrozumienie opóźnień czasowych fotoemisji, w szczególności w przypadku występowania interakcji w zakresie między średnim a długim.
