Måler tid uden ur

EPFL-forskere har været i stand til at måle den ultrakorte tidsforsinkelse i elektronfotoemission uden at bruge et ur. Opdagelsen har vigtige konsekvenser for grundforskning og banebrydende teknologi.

Når lys skinner på visse materialer, det får dem til at udsende elektroner. Dette kaldes "fotoemission", og det blev forklaret af Albert Einstein i 1905, at vinde ham Nobelprisen. Men først i de sidste par år, med fremskridt inden for laserteknologi, har videnskabsmænd været i stand til at nærme sig de utroligt korte tidsskalaer for fotoemission. Forskere ved EPFL har nu bestemt en forsinkelse på en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund i fotoemission ved at måle spin af fotoemitterede elektroner uden behov for ultrakorte laserimpulser. Opdagelsen er offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Fotoemission

Fotoemission har vist sig at være et vigtigt fænomen, danner en platform for banebrydende spektroskopiteknikker, der gør det muligt for forskere at studere egenskaberne af elektroner i et fast stof. En sådan egenskab er spin, en iboende kvanteegenskab ved partikler, der får dem til at se ud, som om de roterer rundt om deres akse. Den grad, hvormed denne akse er justeret mod en bestemt retning, kaldes spinpolarisering, hvilket er det, der giver nogle materialer, som jern, magnetiske egenskaber.

Selvom der har været store fremskridt med at bruge fotoemission og spinpolarisering af foto-emitterede elektroner, tidsskalaen, som hele denne proces foregår i, er ikke blevet undersøgt i særlig detalje. Den almindelige antagelse er, at når lyset når materialet, elektroner exciteres og udsendes øjeblikkeligt. Men nyere undersøgelser ved hjælp af avanceret laserteknologi har udfordret dette, viser, at der faktisk er en tidsforsinkelse på skalaen af ​​attosekunder.

Tid uden ur

Hugo Dils lab på EPFL, med kolleger i Tyskland, viste, at under fotoemission, spinpolariseringen af ​​udsendte elektroner kan relateres til fotoemissionens attosekundtidsforsinkelser. Vigtigere, de har vist dette uden behov for nogen eksperimentel tidsopløsning eller måling - i det væsentlige, uden behov for et ur. At gøre dette, forskerne brugte en type fotoemissionsspektroskopi (SARPES) til at måle spin af elektroner foto-emitteret fra en krystal af kobber.

"Med lasere kan du direkte måle tidsforsinkelsen mellem forskellige processer, men det er svært at afgøre, hvornår en proces starter - tid nul, " siger Mauro Fanciulli, en ph.d.-studerende fra Dils gruppe og førsteforfatter på papiret. "Men i vores eksperiment måler vi tid indirekte, så det problem har vi ikke - vi kunne få adgang til en af ​​de korteste tidsskalaer, der nogensinde er målt. De to teknikker [spin og lasere], er komplementære, og sammen kan de give en helt ny verden af ​​information."

Oplysningerne om tidsskalaen for fotoemission er inkluderet i bølgefunktionen af ​​de udsendte elektroner. Dette er en kvantebeskrivelse af sandsynligheden for, hvor en given elektron kan findes på et givet tidspunkt. Ved at bruge SAPRES, forskerne var i stand til at måle elektronernes spin, hvilket igen gav dem adgang til deres bølgefunktionsegenskaber.

"Værket er et principbevis, der kan udløse yderligere grundlæggende og anvendt forskning, " siger Hugo Dil. "Den beskæftiger sig med selve tidens grundlæggende natur og vil hjælpe med at forstå detaljerne i fotoemissionsprocessen, men det kan også bruges i fotoemissionsspektroskopi på materialer af interesse." Nogle af disse materialer inkluderer grafen og højtemperatur superledere, som Dil og hans kolleger skal studere næste gang.