den fotoelektriska effekten, varigenom fotoner som påverkar Materia orsakar utsläpp av elektroner, är en av kvintessensen av kvantmekanik. Einstein förklarade famously den nyckelmekanism som ligger till grund för fenomenet 1905 och gav honom 1921 Nobelpriset i fysik. Han byggde på ett koncept som introducerades bara fem år tidigare av Max Planck: elektromagnetisk energi absorberas och emitteras endast i diskreta paket-det vill säga i kvanta. Kvantkonceptet revolutionerade fysiken. Den fotoelektriska effekten har för sin del utforskats i allt större detalj och utnyttjas idag i applikationer som sträcker sig från solceller till nattsynsglasögon. En förändring i vår förståelse av effekten kom under det senaste decenniet eller så. Laserexperiment gjorde det möjligt att titta direkt på den invecklade kvantdynamiken som utvecklas vid attosekundtidsskalan när elektroner tas bort från sitt modersystem när de interagerar med ljus. Emellertid förblev tidsupplösta mätningar av fotojoniseringsprocessen i sin förmodligen renaste form-absorptionen och emissionen av enstaka fotoner av en enda obunden elektron-svårfångad. Tills nu.
skriver i tidskriften Optica, Jaco Fuchs och kollegor i Ultrafast Laser Physics group of Prof. Ursula Keller vid Institute of Quantum Electronics, som arbetar med medarbetare i USA, Österrike och Spanien, rapporterar ett experiment där de för första gången mätte hur absorption och utsläpp av enstaka fotoner förändrar dynamiken hos en elektron som inte är bunden till en atomkärna, men känner fortfarande sin Coulomb-potential. Genom att introducera ett nytt experimentellt protokoll fann de att dynamiken beror på vinkelmomentet hos den fotojoniserade elektronen: de mätte en fördröjning på upp till 12 attosekunder mellan utgående s – och d-elektroner i helium. Detta är en subtil men omisskännlig signatur av underliggande kvantmekaniska effekter. Och de observerade också grundläggande fenomen av klassiskt ursprung: de mätte fasförändringar som återspeglar att I d-elektroner är utåtutbredningen långsammare än i s-elektroner. Detta kan förklaras av den större fraktionen av rotationsenergi och därmed en lägre radiell energi i d-elektroner.
extrahera bidraget från enstaka fotoner
dessa resultat markerar flera ’första’. Keller-gruppen har banat väg för olika områden av attoscience, inklusive mätningen av attosecond tidsfördröjningar i photoionsation, som uppstår som photoexcited elektroner fortplanta sig i potentialen av moderjon, vilket resulterar i en mätbar gruppfördröjning. Mätningen av dessa attosekundskala tidsfördröjningar involverar vanligtvis minst två fotoner, vilket gör det exceptionellt svårt att extrahera bidraget från enstaka fotoner. Fuchs et al. nu hittade ett sätt att göra just det.
i deras fall är två fotoner också involverade, en i extrem ultraviolett (XUV) och den andra i infrarött (IR) område. Men de utarbetade ett passande förfarande som gjorde det möjligt för dem att extrahera amplituderna och de relativa faserna av alla kvantvägar genom vilka fotojonerna fortsätter i sitt system. På detta sätt kunde de isolera de olika bidragen från IR-fotonerna, vilka är de som inducerar övergångar i en obunden elektron (medan XUV-fotonerna joniserar atomen genom att överföra en elektron från ett bundet tillstånd till kontinuumet).
direkt mätning av förseningar som härrör från Bremsstrahlung
inte bara fick ETH-fysikerna för första gången tillgång till tidsfördröjningar från någon fotonövergång. Deras är också de första mätningarna av sådana tidsfördröjningar för absorption och utsläpp av fotoner av obundna elektroner, ett fenomen som kallas (invers) Bremsstrahlung. De experimentella resultaten återges väl av två oberoende teoretiska metoder Fuchs och kollegor anställda. Dessa simuleringar ger också bevis för att några av de observerade effekterna är universella, i den meningen att de är oberoende av moderjonens atomart.
detta arbete illustrerar att även 115 år efter Einsteins seminalarbete upphör den fotoelektriska effekten inte att inspirera. Verktygen som introduceras av Fuchs och medarbetare ger nya experimentella förmågor för att studera fotojoniseringsdynamik, både i atomer och i små molekyler. Sådana studier kan i sin tur ge en bättre förståelse för tidsfördröjningar för fotoemission, särskilt i närvaro av interaktioner i Mellan-till-lång räckvidd.
