Forskere opdager, hvordan lys exciterer elektroner i metal

Ved hjælp af banebrydende tidsopløst fotoemissionsspektroskopi har forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University direkte observeret, hvordan lys absorberet af et metal exciterer dets elektroner og kaster lys over grundlæggende processer, der understøtter mange optoelektroniske enheder.

Når lys rammer et metal, kan dets energi excitere elektroner, hvilket får dem til at hoppe fra lavere til højere energiniveauer. Denne proces, kendt som fotoexcitation, er afgørende for en lang række teknologier, herunder solceller, fotodioder og lysdioder (LED'er). Den nøjagtige rækkefølge af begivenheder, der opstår under fotoexcitation, er dog forblevet uhåndgribelig.

Nu har forskerne fanget en detaljeret sekvens af disse begivenheder i realtid, hvilket giver en direkte observation af, hvordan lys exciterer elektroner i et metal. Holdet udførte eksperimenterne ved SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) og brugte en ultrahurtig laser til at excitere elektroner i en tynd film af metal. De brugte derefter et tidsopløst fotoemissionsspektrometer til at måle energien og momentum af de exciterede elektroner som en funktion af tiden.

Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Nature, afslører, at fotoexcitation sker i en række trin. Først absorberes lyset af metallet, hvilket skaber et elektron-hul-par. Elektronen og hullet accelererer derefter hurtigt i modsatte retninger på grund af de elektriske felter, der skabes af lysbølgen. Endelig rekombinerer elektronen og hullet og udsender en foton af lys.

Forskerne var i stand til direkte at observere denne proces ved at bruge en ultrakort laserpuls til at excitere elektronerne. Dette gjorde det muligt for dem at fange dynamikken i fotoexcitationsprocessen på en tidsskala på femtosekunder (10-15 sekunder).

"Vi kan nu se præcis, hvad der sker, når lys rammer et metal," sagde Philip Heimann, professor i anvendt fysik ved Stanford University og medforfatter af undersøgelsen. "Dette er en grundlæggende forståelse af en proces, der er afgørende for mange optoelektroniske enheder."

Holdets resultater kan føre til udviklingen af ​​nye optoelektroniske enheder, der er mere effektive og har hurtigere responstider. De kunne også hjælpe forskere med at forstå, hvordan lys interagerer med andre materialer, såsom halvledere og isolatorer.