Zelfs meer dan 100 jaar na Einsteins verklaring van foto-emissie, stelt het proces van elektronenemissie uit een vast materiaal bij belichting met licht nog steeds voor uitdagende verrassingen. In het rapport dat nu in het tijdschrift is verschenen Wetenschap ultrakorte lichtpulsen werden gebruikt om een ​​race te starten tussen elektronen die werden uitgezonden vanuit verschillende begintoestanden in een vast materiaal. De timing van deze race onthult een onverwacht resultaat:de snelste elektronen komen op de laatste plaats.

Voor de nieuwe publicatie werkten natuurkundigen van de Universiteit van Bielefeld (Duitsland) samen met collega's van het Donostia International Physics Centre en de Universiteit van Baskenland in San Sebastian (Spanje).

De beweging van een geëmitteerd elektron wordt sterk beïnvloed door interacties binnen het atoom van waaruit het elektron wordt uitgezonden. Elektronen die worden uitgestraald vanaf een oppervlak blijven een tijdje gevangen, dynamisch begrensd door de centrifugale barrière rond de atomen. De beweging van deze elektronen rond de kernen, voordat ze uiteindelijk worden uitgestoten, is een soort dans die leidt tot een intuïtief beeld (zie figuur) dat de elektronen die langer rond het atoom blijven dansen de race verliezen en als laatste worden uitgezonden. In tegenstelling tot, elektronen die rechtdoor gaan, winnen de race. Deze waarneming vereiste een herziening van gemeenschappelijke theoretische modellen die de foto-emissie van vaste stoffen beschrijven, d.w.z. deze initiële intra-atomaire interactie moest in aanmerking worden genomen en vormt een nieuwe hoeksteen voor toekomstige verbeterde modellen van het foto-emissieproces van vaste stoffen.

Het experimenteel oplossen van de kleine vertragingen in het foto-emissieproces vereiste timing van de emissiegebeurtenis, d.w.z. het moment waarop het elektron het materiaal verlaat, met een ongekende resolutie van 10 ^-17 seconden. Usain Bolt zou in dit tijdsinterval een afstand afleggen die overeenkomt met de tiende van de straal van een atoomkern en zelfs licht plant zich slechts 3 nm (3x10 ⁹ m). Deze nauwelijks denkbare resolutie maakt het mogelijk de race van elektronen te timen in experimenten die werden uitgevoerd aan de Universiteit van Bielefeld met behulp van geavanceerde attoseconde tijdsopgeloste laserspectroscopie. De keuze van wolfraamdiselenide als materiaal bleek essentieel:het biedt vier foto-elektronenemissiekanalen met verschillende initiële toestandseigenschappen en de uitstekende stabiliteit van het oppervlak maakte het verzamelen van gegevens op lange termijn mogelijk, waardoor de statistische significantie werd verbeterd.

Voor de verklaring van de uitkomst van de elektronenrace bleek een nauwe samenwerking met een team van theoretische fysici van het Donostia International Physics Centre en de Universiteit van Baskenland in San Sebastian essentieel. Kwantitatieve modellering van de intra-atomaire processen en de elektronenvoortplanting in het halfgeleiderkristal toonde aan dat de initiële baanbeweging niet mag worden verwaarloosd als de dynamiek van het foto-emissieproces van een vaste stof wordt beschouwd. Toch vertegenwoordigt het bereikte theoretische model slechts een eerste stap in de interpretatie van de gemeten elektronenrace, aangezien intra-atomaire beweging en voortplanting in het kristal afzonderlijk worden behandeld. In de toekomst zullen deze processen in een uniforme benadering worden behandeld en de aldus verbeterde theorie van foto-emissie zal nieuwe mogelijkheden openen om ons begrip van het zeer fundamentele proces van foto-emissie experimenteel te testen en te verbeteren.

De gerapporteerde vooruitgang in het begrijpen van foto-emissie van vaste stoffen werd mogelijk op basis van recent ontwikkelde attoseconde lasertechnieken. Beheersing van licht met een resolutie van attoseconden opent fascinerende kijk op elektronendynamica op atomaire schaal. Terwijl femtoseconde spectroscopie diende om atomaire beweging te bestuderen en te beheersen, attoseconde spectroscopie richt zich nu direct op de fundamenten van de interactie van licht met materie. Naast een verbeterd fundamenteel begrip bieden deze technieken mogelijkheden om lichtgestuurde elektronische processen te controleren. De toegepaste spectroscopie is gebaseerd op de versnelling en vertraging van uitgezonden elektronen in een intens tijdsafhankelijk elektrisch veld. Gebaseerd op een beter begrip van het foto-emissieproces zelf, zal dit in toekomstige experimenten dienen om variaties van lichtvelden met subatomaire resolutie op te lossen, dat wil zeggen op een schaal die tot nu toe niet toegankelijk was.