Den fotoelektriske effekt i stereo

I den fotoelektriske effekt, en foton udsender en elektron fra et materiale. Forskere ved ETH har nu brugt attosecond-laserimpulser til at måle tidsudviklingen af ​​denne effekt i molekyler. Ud fra deres resultater kan de udlede den nøjagtige placering af en fotoioniseringsbegivenhed.

Når en foton rammer et materiale, den kan udstøde en elektron fra den, forudsat at den har nok energi. Albert Einstein fandt den teoretiske forklaring på dette fænomen, som er kendt som den fotoelektriske effekt, i Bern under hans "vidundernes år" 1905. Den forklaring var et afgørende bidrag til udviklingen af ​​kvantemekanikken, som var i gang på det tidspunkt, og det gav ham Nobelprisen i fysik i 1921. Et internationalt hold af fysikere ledet af Ursula Keller ved Instituttet for Kvanteelektronik ved ETH Zürich har nu tilføjet en ny dimension til den eksperimentelle undersøgelse af denne vigtige effekt. Ved hjælp af attosecond-laserimpulser var de i stand til at måle en lille tidsforskel i udstødningen af ​​elektronen fra et molekyle afhængigt af elektronens position inde i molekylet.

"I et stykke tid, folk har studeret tidsudviklingen af ​​den fotoelektriske effekt i atomer", siger ph.d. elev Jannie Vos, "men meget lidt er indtil videre blevet offentliggjort om molekyler." Det skyldes hovedsageligt, at molekyler er betydeligt mere komplekse end enkelte atomer. I et atom, den yderste elektron, der bevæger sig rundt i atomkernen, er i det væsentlige slynget ud af sin bane. I et molekyle, derimod to eller flere kerner deler den samme elektron. Hvor den er placeret afhænger af samspillet mellem de forskellige attraktive potentialer. Præcis hvordan den fotoelektriske effekt sker under sådanne forhold kunne først nu studeres i detaljer.

For at gøre det, Keller og hendes medarbejdere brugte kuliltemolekyler, som består af to atomer – et kulstof og et oxygenatom. Disse molekyler blev udsat for en ekstrem ultraviolet laserpuls, der kun varede i nogle få attosekunder. (Et attosekund er milliarddelen af ​​en milliardtedel af et sekund). Energien fra de ultraviolette fotoner rev en elektron ud af molekylerne, som efterfølgende brød op i deres konstituerende atomer. Et af disse atomer blev til en positivt ladet ion i processen. Ved hjælp af et specielt instrument, forskerne målte derefter i hvilken retning elektronerne og ionerne fløj væk. En anden laserpuls, som fungerede som en slags målestok, gav dem også mulighed for at bestemme det præcise øjeblik, hvor elektronen forlod molekylet.

"På denne måde kunne vi for første gang, at måle den såkaldte Stereo Wigner tidsforsinkelse, " forklarer Laura Cattaneo, der arbejder som postdoc i Kellers gruppe. Stereo Wigner-tidsforsinkelsen måler, hvor meget tidligere eller senere en elektron forlader molekylet, hvis den er placeret tæt på oxygenatomet eller kulstofatomet, når fotoionisering sker. De ekstremt korte laserimpulser gør det muligt at måle det øjeblik inden for få attosekunder. Ud fra den information, på tur, det er muligt at bestemme placeringen af ​​ioniseringsbegivenheden inde i molekylet inden for en tiendedel af en nanometer. De eksperimentelle resultater stemmer godt overens med teoretiske forudsigelser, der beskriver den mest sandsynlige position af en elektron på tidspunktet for fotoionisering.

Næste, ETH-forskerne vil se nærmere på større molekyler, begyndende med lattergassen N2O. Det ekstra atom i det molekyle gør allerede den teoretiske beskrivelse en del sværere, men samtidig håber fysikerne på at få ny indsigt, for eksempel ind i den såkaldte ladningsmigrering inde i molekyler, som spiller en vigtig rolle i kemisk proces.

I princippet burde det endda være muligt at bruge attosecond laserimpulser ikke kun til at studere disse processer, men også for bevidst at styre dem og dermed kontrollere kemiske reaktioner i detaljer. Lige nu, imidlertid, sådan attokemi er stadig langt væk, som Jannie Vos påpeger:"I teorien er det hele meget spændende, men der er stadig meget at gøre, før vi når dertil."