efectul fotoelectric, prin care fotonii care afectează materia provoacă emisia de electroni, este unul dintre efectele chintesențiale ale mecanicii cuantice. Einstein a explicat mecanismul cheie care stă la baza fenomenului în 1905, câștigându-i Premiul Nobel pentru Fizică din 1921. El a construit pe un concept introdus cu doar cinci ani mai devreme de Max Planck: energia electromagnetică este absorbită și emisă numai în pachete discrete-adică în cuante. Conceptul cuantic a revoluționat fizica. Efectul fotoelectric, la rândul său, a fost explorat în detaliu și este exploatat în zilele noastre în aplicații variind de la celule solare la ochelari de vedere nocturnă. O schimbare în înțelegerea noastră a efectului a venit în ultimul deceniu sau cam asa ceva. Experimentele cu Laser au făcut posibilă privirea directă a dinamicii cuantice complicate care se desfășoară la scara de timp attosecundă, pe măsură ce electronii sunt îndepărtați din sistemul lor părinte atunci când interacționează cu lumina. Cu toate acestea, măsurătorile rezolvate în timp ale procesului de fotoionizare în forma sa cea mai pură-absorbția și emisia de fotoni unici de către un singur electron nelegat-au rămas evazive. Până acum.
scrierea în revista Optica, Jaco Fuchs și colegii din grupul de Fizică Laser Ultrafast al Prof. Ursula Keller de la Institutul de Electronică cuantică, care lucrează cu colaboratori din SUA, Austria și Spania, raportează un experiment în care au măsurat pentru prima dată modul în care absorbția și emisia fotonilor unici modifică dinamica unui electron care nu este legat de un nucleu atomic, dar încă își simte potențialul Coulomb. Introducând un nou protocol experimental, au descoperit că dinamica depinde de impulsul unghiular al electronului fotoionizat: au măsurat o întârziere de până la 12 attosecunde între electronii s și d de ieșire din heliu. Aceasta este o semnătură subtilă, dar inconfundabilă, a efectelor mecanice cuantice subiacente. Și au observat și fenomene fundamentale de origine clasică: au măsurat schimbările de fază care reflectă faptul că în electronii d propagarea exterioară este mai lentă decât în electronii S. Acest lucru poate fi explicat prin fracțiunea mai mare de energie de rotație și, prin urmare, o energie radială mai mică în d-electroni.
extragerea contribuției fotonilor unici
aceste rezultate marchează câteva ‘premiere’. Grupul Keller a fost pionier în diferite domenii ale atoscienței, inclusiv măsurarea întârzierilor de timp attosecunde în fotoionizare, care apar pe măsură ce electronii fotoexcitați se propagă în potențialul ionului părinte, rezultând o întârziere măsurabilă a grupului. Măsurarea acestor întârzieri de timp la scară atosecundă implică de obicei cel puțin doi fotoni, ceea ce face extrem de dificilă extragerea contribuției fotonilor unici. Fuchs și colab. acum a găsit o modalitate de a face doar asta.
în cazul lor sunt implicați și doi fotoni, unul în ultravioletul extrem (XUV) și celălalt în domeniul infraroșu (IR). Dar au conceput o procedură potrivită care le-a permis să extragă din datele lor de înaltă calitate amplitudinile și fazele relative ale tuturor căilor cuantice prin care se desfășoară fotoionizarea în sistemul lor. În acest fel au reușit să izoleze diferitele contribuții ale fotonilor IR, care sunt cei care induc tranziții într-un electron nelegat (în timp ce fotonii XUV ionizează atomul, transferând un electron dintr-o stare legată în continuum).
măsurarea directă a întârzierilor rezultate din Bremsstrahlung
nu numai că fizicienii ETH au obținut pentru prima dată acces la întârzieri de timp din orice tranziție cu un singur foton. Ale lor sunt, de asemenea, primele măsurători ale unor astfel de întârzieri de timp pentru absorbția și emisia fotonilor de către electroni nelegați, fenomen cunoscut sub numele de (invers) Bremsstrahlung. Rezultatele experimentale sunt bine reproduse prin două metode teoretice independente Fuchs și colegii angajați. Aceste simulări oferă, de asemenea, dovezi că unele dintre efectele observate sunt universale, în sensul că sunt independente de speciile atomice ale ionului părinte.
această lucrare ilustrează faptul că, de asemenea, la 115 ani după lucrarea seminală a lui Einstein, efectul fotoelectric nu încetează să inspire. Instrumentele introduse de Fuchs și colegii de muncă oferă noi capacități experimentale pentru studierea dinamicii fotoionizării, atât în atomi, cât și în molecule mici. Astfel de studii ar putea, la rândul lor, să ofere o înțelegere mai completă a întârzierilor de fotoemisie, în special în prezența interacțiunilor în intervalul intermediar-lung.
