Met behulp van de allernieuwste tijdsopgeloste foto-emissiespectroscopie hebben onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en Stanford University direct waargenomen hoe licht dat door een metaal wordt geabsorbeerd, zijn elektronen exciteert, waardoor licht wordt geworpen op fundamentele processen die ten grondslag liggen aan veel opto-elektronische apparaten.

Wanneer licht op een metaal valt, kan de energie ervan elektronen exciteren, waardoor ze van een lager naar een hoger energieniveau springen. Dit proces, bekend als foto-excitatie, is cruciaal voor een breed scala aan technologieën, waaronder zonnecellen, fotodiodes en lichtemitterende diodes (LED's). De exacte volgorde van gebeurtenissen die plaatsvinden tijdens foto-excitatie is echter ongrijpbaar gebleven.

Nu hebben de onderzoekers een gedetailleerde reeks van deze gebeurtenissen in realtime vastgelegd, waardoor een directe observatie ontstaat van hoe licht elektronen in een metaal exciteert. Het team voerde de experimenten uit bij SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) en gebruikte een ultrasnelle laser om elektronen in een dunne laag metaal te exciteren. Vervolgens gebruikten ze een tijdsopgeloste foto-emissiespectrometer om de energie en het momentum van de geëxciteerde elektronen als functie van de tijd te meten.

De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, laten zien dat foto-excitatie in een reeks stappen plaatsvindt. Ten eerste wordt het licht geabsorbeerd door het metaal, waardoor een elektron-gatpaar ontstaat. Het elektron en het gat versnellen dan snel in tegengestelde richtingen als gevolg van de elektrische velden die door de lichtgolf worden gecreëerd. Ten slotte combineren het elektron en het gat opnieuw, waardoor een foton van licht wordt uitgezonden.

De onderzoekers konden dit proces direct waarnemen door een ultrakorte laserpuls te gebruiken om de elektronen te exciteren. Hierdoor konden ze de dynamiek van het foto-excitatieproces vastleggen op een tijdschaal van femtoseconden (10-15 seconden).

"We kunnen nu precies zien wat er gebeurt als licht op een metaal valt", zegt Philip Heimann, hoogleraar toegepaste natuurkunde aan Stanford University en co-auteur van het onderzoek. "Dit is een fundamenteel begrip van een proces dat essentieel is voor veel opto-elektronische apparaten."

De bevindingen van het team zouden kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe opto-elektronische apparaten die efficiënter zijn en snellere responstijden hebben. Ze kunnen onderzoekers ook helpen begrijpen hoe licht interageert met andere materialen, zoals halfgeleiders en isolatoren.