Et betydningsfuldt syn på fotoelektroners fødsel

Oprettelsen af ​​fotoelektroner gennem ionisering er en af ​​de mest fundamentale processer i samspillet mellem lys og stof. Endnu, der er stadig dybe spørgsmål om, hvordan fotoner overfører deres lineære momentum til elektroner. Med den første sub-femtosekund undersøgelse af den lineære foton-momentumoverførsel under en ioniseringsproces, ETH -fysikere giver nu en hidtil uset indsigt i fotoelektroners fødsel.

Samspillet mellem lys og stof er grundlaget for både mange grundlæggende fænomener og forskellige praktiske teknologier. Mest berømt, i den fotoelektriske effekt, elektroner udsendes fra et materiale, der udsættes for lys med passende energi. Fænomenets oprindelse forblev en gåde i lang tid, og først med fremkomsten af ​​kvanteteorien - og takket være Albert Einsteins geni - blev effekten fuldt ud forstået. Einstein modtog Nobelprisen i fysik i 1921 for sin opdagelse af de underliggende love, og siden er effekten blevet udnyttet i applikationer lige fra spektroskopi til nattesyn. I nogle vigtige tilfælde, nøgleprincippet er overførsel ikke af energi, men af ​​lineær momentum - eller, impuls - fra fotoner til elektroner. Dette er tilfældet, for eksempel, når laserlys bruges til at afkøle mikroskopiske og makroskopiske objekter, eller at forstå fænomenet strålingstryk.

På trods af den grundlæggende betydning af momentumoverførsel, de præcise detaljer om, hvordan lys overfører sin impuls til materie, er stadig ikke fuldt ud forstået. En grund er, at den overførte impuls ændres under en optisk cyklus på ekstremt hurtig, tidsfrister under femtosekunder. Indtil nu, undersøgelser afslørede hovedsageligt information om tidsgennemsnitlig adfærd, manglende tidsafhængige aspekter af den lineære momentumoverførsel under fotoionisering. Dette hul er nu udfyldt af gruppen af ​​Ursula Keller ved Institute for Quantum Electronics, som de rapporterer i et papir, der blev offentliggjort i dag i Naturkommunikation .

De så på tilfælde af høje laserintensiteter, hvor flere fotoner er involveret i ioniseringsprocessen, og undersøgte, hvor meget momentum der overføres i retning af laserudbredelse. For at opnå tilstrækkelig tidsopløsning, de brugte den såkaldte attoclock-teknik, som er blevet udviklet og forfinet i Keller -laboratoriet i løbet af det sidste årti. I denne metode, attosekund tidsopløsning opnås uden at skulle producere attosekund laserpulser. I stedet, information om den roterende laserfeltvektor i tæt på cirkulært polariseret lys bruges til at måle tid i forhold til ioniseringshændelsen med attosekundpræcision. Meget lig hånden på et ur-lige nu roterer denne urhånd gennem en hel cirkel inden for en optisk cyklus med en varighed på 11,3 fs.

Med dette alsidige værktøj ved hånden, ETH -fysikerne var i stand til at bestemme, hvor meget lineære momentumelektroner opnåede afhængigt af hvornår fotoelektronerne blev 'født'. De fandt ud af, at mængden af ​​momentum, der overføres i laserens formeringsretning, faktisk afhænger af, hvornår elektronen i laserens oscillationscyklus 'frigøres' fra sagen, i deres tilfælde xenonatomer. Det betyder, at i det mindste for det scenario, de udforskede, tidsgennemsnitligt strålingstryksbillede er ikke relevant. Spændende nok, de kan gengive den observerede adfærd næsten fuldstændigt inden for en klassisk model, der henviser til, at mange scenarier for lys-stof-interaktion, såsom Compton -spredning, kan kun forklares inden for en kvantemekanisk model.

Den klassiske model måtte dog udvides, at tage hensyn til samspillet mellem den udgående fotoelektron og den resterende xenonion. Denne interaktion, de viser i deres eksperimenter, fremkalder en yderligere attosekundforsinkelse i timingen af ​​den lineære momentumoverførsel sammenlignet med den teoretiske forudsigelse for en fri elektron født under pulsen. Hvorvidt sådanne forsinkelser er en generel egenskab ved fotoionisering, eller om de kun gælder for den slags scenarier, der er undersøgt i denne undersøgelse, er åben for nu. Hvad er klart, imidlertid, er, at med denne første undersøgelse af lineær momentumoverførsel under ionisering på procesens naturlige tidsskala, Keller-gruppen åbnede en ny spændende rute for at udforske den helt grundlæggende karakter af lys-stof-interaktioner-og dermed gøre godt ved et centralt løfte om attosekundvidenskab.