Undersøgelse af dynamikken i fotoemission

For næsten et århundrede siden, Albert Einstein modtog Nobelprisen i fysik for sin forklaring af den fotoelektriske effekt. Udgivet i 1905, Einsteins teori inkorporerede ideen om, at lys består af partikler kaldet fotoner. Når lys rammer stoffet, elektronerne i prøven reagerer på input af energi, og interaktionen giver anledning til det, der er kendt som den fotoelektriske effekt. Lyskvanter (fotoner) absorberes af materialet og exciterer de bundne elektroner. Afhængigt af lyskildens bølgelængde, dette kan resultere i udstødning af elektroner. Den elektroniske båndstruktur af det involverede materiale har en betydelig effekt på tidsskalaerne for fotoemission. Fysikere med base ved Ludwig-Maximilian University (LMU) i München og Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) har nu set nærmere på fænomenet fotoemission. De målte indflydelsen af ​​båndstrukturen af ​​wolfram på dynamikken af ​​fotoelektronemission, og give teoretiske fortolkninger af deres observationer.

Dette er nu muligt takket være udviklingen og den fortsatte forfining af attosecond-teknologien. Et "attosekund" svarer til 10 ^-18 et sekund, altså en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund. Evnen til reproducerbart at generere tog af pulser af laserlys, der varer i et par hundrede attosekunder, gør det muligt for forskere at følge fotoforløbet ved at "fryse handlingen" med jævne mellemrum - analogt med et stroboskop, men med langt bedre tidsmæssig opløsning.

I en række fotoelektronspektroskopiske eksperimenter, holdet brugte attosecond-impulser af ekstremt ultraviolet lys til at undersøge dynamikken i fotoemission fra en wolframkrystal. Hver puls indeholdt et par hundrede røntgenfotoner, hver energisk nok til at fjerne en fotoelektron. Ved hjælp af detektorer monteret foran krystallen, holdet var i stand til at karakterisere de udstødte elektroner med hensyn til deres flyvetider og emissionsvinkler.

Resultaterne afslørede, at elektroner, der interagerer med indkommende fotoner, tager lidt tid at reagere på sådanne møder. Denne opdagelse blev muliggjort af vedtagelsen af ​​en ny tilgang til generering af attosekundpulser. Takket være introduktionen af ​​en passiv hulrumsresonator med en forbedringsfaktor på 35, det nye set-up kan nu producere attosekundpulser med en hastighed på 18,4 millioner pr. 1000 gange højere end det, der tidligere var almindeligt i sammenlignelige systemer. Fordi pulsgentagelseshastigheden er så høj, kun meget få fotoelektroner pr. impuls er tilstrækkelige til at give en høj gennemsnitlig flux.

"Da de negativt ladede fotoelektroner frastøder hinanden, deres kinetiske energier er genstand for hurtige ændringer. For at karakterisere deres dynamik, det er derfor vigtigt at fordele dem over så mange attosekundpulser som muligt, " som fælles førsteforfatter Dr. Tobias Saule forklarer. Den øgede pulshastighed betyder, at partiklerne har ringe mulighed for at interagere med hinanden, fordi de er godt fordelt i tid og rum, således at den maksimale energiopløsning stort set bibeholdes. På denne måde, holdet var i stand til at vise, at med hensyn til kinetikken af ​​fotoemission, elektroner i tilstødende energitilstande i valensbåndet (dvs. de yderste baner for atomerne i krystallen), som har forskellige vinkelmomenta adskiller sig også med et par titusvis af attosekunder i den tid, det tager at reagere på indkommende fotoner.

Især arrangementet af atomerne inde i selve krystallen har en målbar indflydelse på forsinkelsen mellem ankomsten af ​​lysimpulsen og udstødningen af ​​fotoelektroner. "En krystal består af mængder af atomer, alle hvis kerner er positivt ladede. Hver kerne er kilden til et elektrisk potentiale, som tiltrækker de negativt ladede elektroner - på samme måde som et rundt hul fungerer som en potentialbrønd for kugler, " siger Dr. Stephan Heinrich, også fælles første forfatter til rapporten. "Når en elektron løsnes fra en krystal, det, der sker, er lidt ligesom en marmors fremgang hen over et bord, der er fyldt med fordybninger.

Disse fordybninger repræsenterer de enkelte atomers positioner i krystallen, og de er regelmæssigt organiseret. Marmorens bane er direkte påvirket af deres tilstedeværelse, og det adskiller sig fra hvad der ville blive observeret på en glat overflade, " påpeger han. "Vi har nu demonstreret, hvordan et sådant periodisk potentiale i en krystal påvirker fotoemissionens tidsmæssige adfærd - og vi kan teoretisk redegøre for det, " forklarer Stephan Heinrich. De observerede forsinkelser kan tilskrives den komplekse karakter af elektrontransport fra det indre til overfladen af ​​krystallen, og til virkningen af ​​elektronspredning og korrelationseffekter, som dette medfører.

"Den indsigt, som vores undersøgelse giver, åbner mulighed for eksperimentelle undersøgelser af de komplekse vekselvirkninger, der finder sted i multi-elektronsystemer i kondenseret stof på en attosekunds tidsskala. Dette vil igen sætte os i stand til at forstå dem teoretisk, " siger LMU-Prof. Ulf Kleineberg, der ledede projektet.

På længere sigt, de nye resultater kan også føre til nye materialer med elektroniske egenskaber, der forbedrer lys-stof-interaktioner, hvilket ville gøre solceller mere effektive, og forbedre koblingshastigheder for nano-optiske komponenter til ultrahurtig databehandling og fremme udviklingen af ​​nanosystemer til brug i de biomedicinske videnskaber.