EPFL-wetenschappers hebben de ultrakorte tijdvertraging in elektronenfoto-emissie kunnen meten zonder een klok te gebruiken. De ontdekking heeft belangrijke implicaties voor fundamenteel onderzoek en geavanceerde technologie.

Wanneer licht op bepaalde materialen schijnt, het zorgt ervoor dat ze elektronen uitzenden. Dit wordt "foto-emissie" genoemd en werd in 1905 uitgelegd door Albert Einstein, hem de Nobelprijs te bezorgen. Maar pas de laatste jaren met vooruitgang in lasertechnologie, hebben wetenschappers de ongelooflijk korte tijdschalen van foto-emissie kunnen benaderen. Onderzoekers van EPFL hebben nu een vertraging van een miljardste van een miljardste van een seconde in foto-emissie bepaald door de spin van foto-uitgezonden elektronen te meten zonder de noodzaak van ultrakorte laserpulsen. De ontdekking is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Foto-emissie

Foto-emissie is een belangrijk fenomeen gebleken, een platform vormen voor geavanceerde spectroscopietechnieken waarmee wetenschappers de eigenschappen van elektronen in een vaste stof kunnen bestuderen. Een van die eigenschappen is spin, een intrinsieke kwantumeigenschap van deeltjes waardoor het lijkt alsof ze om hun as draaien. De mate waarin deze as in een bepaalde richting is uitgelijnd, wordt spinpolarisatie genoemd, dat is wat sommige materialen geeft, zoals ijzer, magnetische eigenschappen.

Hoewel er grote vooruitgang is geboekt bij het gebruik van foto-emissie en spinpolarisatie van foto-uitgezonden elektronen, de tijdschaal waarin dit hele proces zich afspeelt is niet tot in detail onderzocht. De algemene veronderstelling is dat, zodra het licht het materiaal bereikt, elektronen worden ogenblikkelijk aangeslagen en uitgezonden. Maar recentere studies met behulp van geavanceerde lasertechnologie hebben dit uitgedaagd, waaruit blijkt dat er feitelijk een tijdvertraging is op de schaal van attoseconden.

Tijd zonder klok

Het lab van Hugo Dil bij EPFL, met collega's in Duitsland, toonde aan dat tijdens foto-emissie, de spinpolarisatie van geëmitteerde elektronen kan worden gerelateerd aan de attoseconde tijdvertragingen van foto-emissie. Belangrijker, ze hebben dit aangetoond zonder de noodzaak van enige experimentele tijdresolutie of meting - in wezen, zonder dat je een klok nodig hebt. Om dit te doen, de wetenschappers gebruikten een soort foto-emissiespectroscopie (SARPES) om de spin te meten van elektronen die door een koperkristal worden uitgezonden.

"Met lasers kun je direct de tijdsvertraging tussen verschillende processen meten, maar het is moeilijk te bepalen wanneer een proces begint - tijd nul, " zegt Mauro Fanciulli, een promovendus van de groep van Dil en eerste auteur op het papier. "Maar in ons experiment meten we de tijd indirect, dus dat probleem hebben we niet - we hebben toegang tot een van de kortste tijdschalen die ooit zijn gemeten. De twee technieken [spin en lasers], zijn complementair, en samen kunnen ze een heel nieuw gebied van informatie opleveren."

De informatie over de tijdschaal van foto-emissie is opgenomen in de golffunctie van de uitgezonden elektronen. Dit is een kwantumbeschrijving van de waarschijnlijkheid waar een bepaald elektron op een bepaald moment kan worden gevonden. Door SAPRES te gebruiken, de wetenschappers konden de spin van de elektronen meten, waardoor ze op hun beurt toegang hadden tot hun golffunctie-eigenschappen.

"Het werk is een proof of principle dat kan leiden tot verder fundamenteel en toegepast onderzoek, ", zegt Hugo Dil. "Het behandelt de fundamentele aard van tijd zelf en zal helpen de details van het foto-emissieproces te begrijpen, maar het kan ook worden gebruikt in foto-emissiespectroscopie op materialen van belang." Sommige van deze materialen omvatten grafeen en hoge-temperatuur supergeleiders, die Dil en zijn collega's hierna gaan bestuderen.