Fysikere offentliggør nye fund om elektronemission

Endnu mere end 100 år efter Einsteins forklaring på fotoemission skaber processen med elektronemission fra et fast materiale ved belysning med lys stadig udfordrende overraskelser. I rapporten nu offentliggjort i tidsskriftet Videnskab ultrakorte lysimpulser blev anvendt til at starte et løb mellem elektroner udsendt fra forskellige begyndelsestilstande i et fast materiale. Timing af dette løb afslører et uventet resultat:De hurtigste elektroner ankommer til sidst.

Til den nye publikation samarbejdede fysikere fra Bielefeld University (Tyskland) med kolleger ved Donostia International Physics Center og University of the Basker Country i San Sebastian (Spanien).

Bevægelsen af ​​en udsendt elektron påvirkes stærkt af interaktioner inde i atomet, hvorfra elektronen udsendes. Elektroner, der udsendes fra en overflade, forbliver fanget et stykke tid, dynamisk begrænset af centrifugalbarrieren omkring atomerne. Disse elektroners bevægelse omkring kernerne, før den til sidst udsendes, er en slags dans, der fører til et intuitivt billede (se figur), at elektronerne, der forbliver længere danser omkring atomet, mister løbet og udsendes sidst. I modsætning, elektroner der går lige vinder løbet. Denne observation krævede en revision af almindelige teoretiske modeller, der beskriver fotoemissionen fra faste stoffer, dvs. denne indledende intraatomiske interaktion skulle tages i betragtning og danner en ny hjørnesten for fremtidige forbedrede modeller af fotoemissionsprocessen fra faste stoffer.

Eksperimentelt at løse de små forsinkelser i fotoemissionsprocessen krævede timing af emissionsbegivenheden, dvs. det øjeblik, hvor elektronen forlader materialet, med en hidtil uset opløsning på 10 ^-17 sekunder. Usain Bolt ville køre i dette tidsinterval en afstand, der svarer til tiendedelen af ​​radius af en atomkerne, og selv lys forplanter sig kun 3 nm (3x10 ⁹ m). Denne næppe tænkelige opløsning tillader timing af elektronernes løb i eksperimenter, der blev udført på Bielefeld University ved hjælp af avanceret attosekund tidsopløst laserspektroskopi. Valget af wolframdiselenid som materiale viste sig at være afgørende:Det giver fire fotoelektronemissionskanaler med forskellige egenskaber i udgangstilstanden og overfladens enestående stabilitet muliggjorde langsigtet dataindsamling, der forbedrer den statistiske signifikans.

For at forklare resultatet af elektronløbet viste et tæt samarbejde med et team af teoretiske fysikere ved Donostia International Physics Center og University of the Basker Country i San Sebastian sig afgørende. Kvantitativ modellering af de intra-atomære processer og elektronudbredelsen i halvlederkrystallet viste, at den indledende kredsløbsbevægelse ikke må negligeres, hvis dynamikken i fotoemissionsprocessen fra et fast stof overvejes. Den opnåede teoretiske model repræsenterer stadig kun et første trin i fortolkningen af ​​det målte elektronræn, da intra-atomær bevægelse og forplantning i krystallen behandles separat. I fremtiden vil disse processer blive behandlet i en samlet tilgang, og den dermed forbedrede teori om fotoemission vil åbne nye muligheder for eksperimentelt at teste og forbedre vores forståelse af den helt grundlæggende proces med fotoemission.

De rapporterede fremskridt i forståelsen af ​​fotoemission fra faste stoffer blev gennemførlige baseret på nyligt udviklede attosekund -laserteknikker. Kontrol af lys med attosekund -opløsning åbner fascinerende syn på elektrondynamik på atomskalaen. Mens femtosekund -spektroskopi tjente til at studere og kontrollere atombevægelse, attosekundspektroskopi adresserer nu direkte det grundlæggende i lysets vekselvirkning med stof. Udover en forbedret grundlæggende forståelse tilbyder disse teknikker muligheder for at styre lysdrevne elektroniske processer. Den anvendte spektroskopi er afhængig af acceleration og deceleration af udsendte elektroner i et intens tidsafhængigt elektrisk felt. Baseret på en forbedret forståelse af selve fotoemissionsprocessen vil dette tjene i fremtidige forsøg til at løse variationer af lysfelter med subatomær opløsning, dvs. på en skala, der ikke var tilgængelig indtil nu.