Forskere måler en-foton overgange i en ubundet elektron

Elektronernes dynamik ændrer sig en smule ved hver interaktion med en foton. Fysikere ved ETH Zürich har nu målt et sådant samspil i sin velsagtens reneste form - ved at registrere tidsforsinkelser på attosekundskalaen forbundet med en-foton-overgange i en ubundet elektron.

Den fotoelektriske effekt, hvorved fotoner, der rammer stoffet, forårsager emission af elektroner, er en af ​​kvantemekanikkens karakteristiske effekter. Einstein forklarede berømt nøglemekanismen bag fænomenet i 1905, gav ham Nobelprisen i fysik i 1921. Han byggede på et koncept, der blev introduceret fem år tidligere af Max Planck:Elektromagnetisk energi absorberes og udsendes kun i diskrete pakker - dvs. i kvantum. Kvantekonceptet revolutionerede fysikken. Den fotoelektriske effekt, for sin del, er blevet udforsket mere detaljeret, og udnyttes i dag i applikationer lige fra solceller til nattesynsbriller.

Et skift i forståelsen af ​​effekten opstod i det seneste årti eller deromkring. Lasereksperimenter gjorde det muligt at se direkte på den indviklede kvantedynamik, der udfolder sig på attosekundets tidsskala, når elektroner fjernes fra deres modersystem, når de interagerer med lys. Imidlertid, tidsopløste målinger af fotoioniseringsprocessen i sin velsagtens reneste form - absorption og emission af enkelte fotoner af en enkelt ubundet elektron - forblev uhåndgribelig, indtil nu.

Skrivning i journalen Optica , Jaco Fuchs og kolleger i gruppen af ​​ultrahurtig laserfysik af prof. Ursula Keller ved Institute of Quantum Electronics, arbejder med samarbejdspartnere i USA, Østrig og Spanien, rapportere et eksperiment, hvor de målte, hvordan absorption og emission af enkelte fotoner ændrer dynamikken i en elektron, der ikke er bundet til en atomkerne, men har stadig sit Coulomb-potentiale. Introduktion af en ny eksperimentel protokol, de fandt ud af, at dynamikken afhænger af vinkelmomentet af den fotoioniserede elektron. Forskerne målte en forsinkelse på op til 12 attosekunder mellem udgående s- og d-elektroner i helium. Dette er en subtil, men umiskendelig signatur af underliggende kvantemekaniske effekter. Og de observerede grundlæggende fænomener af klassisk oprindelse, også - de målte faseændringer, hvilket indikerer, at i d-elektroner, den udadgående udbredelse er langsommere end i s-elektroner. Dette kan forklares med den større andel af rotationsenergi og dermed en lavere radial energi i d-elektroner.

Udtrækning af bidraget fra enkelte fotoner

Disse resultater markerer flere førstepladser. Keller-gruppen har været banebrydende på forskellige områder inden for atovidenskab, inklusive måling af attosekundes tidsforsinkelser i fotoionering, der opstår, når fotoexciterede elektroner forplanter sig i potentialet for moderionen, resulterer i en målbar gruppeforsinkelse. Målingen af ​​disse tidsforsinkelser på attosekundskala involverer typisk mindst to fotoner, hvilket gør det usædvanligt vanskeligt at udtrække bidraget fra enkelte fotoner. Fuchs et al. har nu fundet en måde at gøre netop det på.

I deres tilfælde, to fotoner er involveret, den ene i det ekstreme ultraviolette (XUV) og den anden i det infrarøde (IR) område. Men de udtænkte en tilpasningsprocedure, der gjorde det muligt for dem at udtrække fra deres højkvalitetsdata amplituderne og de relative faser af alle de kvanteveje, hvorigennem fotoionering fortsætter i deres system. På denne måde, de var i stand til at isolere bidragene fra IR-fotonerne, som er dem, der inducerer overgange i en ubundet elektron (hvorimod XUV-fotonerne ioniserer atomet ved at overføre en elektron fra en bundet tilstand til kontinuum).

Direkte måling af forsinkelser som følge af Bremsstrahlung

Ikke alene fik ETH-fysikerne adgang til tidsforsinkelser fra enhver en-foton-overgang - disse er også de første målinger af sådanne tidsforsinkelser for absorption og emission af fotoner fra ubundne elektroner, et fænomen kendt som (omvendt) Bremsstrahlung. De eksperimentelle resultater er godt gengivet af to uafhængige teoretiske metoder, som Fuchs og kolleger anvendte. Disse simuleringer giver også bevis for, at nogle af de observerede effekter er universelle i den forstand, at de er uafhængige af atomarten af ​​moderionen.

Dette værk illustrerer, at 115 år efter Einsteins skelsættende værk, den fotoelektriske effekt holder ikke op med at inspirere. Værktøjerne introduceret af Fuchs og kolleger giver nye eksperimentelle muligheder for at studere fotoioniseringsdynamik, både i atomer og i små molekyler. Sådanne undersøgelser kunne til gengæld give en bedre forståelse af fotoemissions tidsforsinkelser, især ved tilstedeværelse af interaktioner i mellem-til-lang rækkevidde.