Bij elke interactie met een foton verandert de dynamiek van elektronen enigszins. Natuurkundigen van ETH Zürich hebben nu een dergelijk samenspel in zijn aantoonbaar zuiverste vorm gemeten - door de tijdvertragingen op attosecondeschaal vast te leggen die verband houden met overgangen van één foton in een ongebonden elektron.

Het foto-elektrisch effect, waarbij fotonen die invallen op materie de emissie van elektronen veroorzaken, is een van de belangrijkste effecten van de kwantummechanica. Einstein verklaarde in 1905 op beroemde wijze het belangrijkste mechanisme dat aan het fenomeen ten grondslag ligt, waarmee hij in 1921 de Nobelprijs voor de Natuurkunde kreeg. Hij bouwde voort op een concept dat vijf jaar eerder door Max Planck was geïntroduceerd:elektromagnetische energie wordt alleen geabsorbeerd en uitgezonden in discrete pakketten, dat wil zeggen, in kwant. Het kwantumconcept zorgde voor een revolutie in de natuurkunde. Het foto-elektrisch effect, voor zijn deel, is steeds meer in detail onderzocht, en wordt tegenwoordig gebruikt in toepassingen variërend van zonnecellen tot nachtkijkers.

In het afgelopen decennium is er een verschuiving opgetreden in het begrip van het effect. Laserexperimenten maakten het mogelijk om direct te kijken naar de ingewikkelde kwantumdynamica die zich ontvouwt op de attoseconde tijdschaal wanneer elektronen uit hun oudersysteem worden verwijderd wanneer ze interageren met licht. Echter, in de tijd opgeloste metingen van het foto-ionisatieproces in zijn aantoonbaar zuiverste vorm - de absorptie en emissie van enkele fotonen door een enkel ongebonden elektron - bleven ongrijpbaar, tot nu.

Schrijven in het journaal optiek , Jaco Fuchs en collega's in de Ultrafast Laser Physics-groep van prof. Ursula Keller van het Institute of Quantum Electronics, werken met medewerkers in de VS, Oostenrijk en Spanje, een experiment rapporteren waarin ze hebben gemeten hoe de absorptie en emissie van enkele fotonen de dynamiek verandert van een elektron dat niet aan een atoomkern is gebonden, maar heeft nog steeds zijn Coulomb-potentieel. Introductie van een nieuw experimenteel protocol, ze ontdekten dat de dynamiek afhankelijk is van het impulsmoment van het foto-geïoniseerde elektron. De onderzoekers maten een vertraging van maximaal 12 attoseconden tussen uitgaande s- en d-elektronen in helium. Dit is een subtiele maar onmiskenbare signatuur van onderliggende kwantummechanische effecten. En ze observeerden fundamentele verschijnselen van klassieke oorsprong, ook - ze maten faseveranderingen, wat aangeeft dat in d-elektronen, de buitenwaartse voortplanting is langzamer dan in s-elektronen. Dit kan worden verklaard door de grotere fractie van rotatie-energie en dus een lagere radiale energie in d-elektronen.

De bijdrage van enkele fotonen extraheren

Deze resultaten markeren verschillende primeurs. De Keller-groep heeft pionierswerk verricht op verschillende gebieden van attoscience, inclusief het meten van attoseconde tijdvertragingen in foto-ionisatie die ontstaan ​​als foto-geëxciteerde elektronen zich voortplanten in de potentiaal van het ouder-ion, resulterend in een meetbare groepsvertraging. De meting van deze tijdvertragingen op attosecondeschaal omvat typisch ten minste twee fotonen, waardoor het buitengewoon moeilijk is om de bijdrage van afzonderlijke fotonen te extraheren. Fuchs et al. hebben nu een manier gevonden om dat te doen.

In hun geval, er zijn twee fotonen bij betrokken, een in het extreem ultraviolet (XUV) en de andere in het infrarood (IR) bereik. Maar ze bedachten een passende procedure waarmee ze uit hun hoogwaardige gegevens de amplitudes en relatieve fasen konden extraheren van alle kwantumroutes waardoor foto-ionisatie in hun systeem verloopt. Op deze manier, ze waren in staat om de bijdragen van de IR-fotonen te isoleren, welke overgangen induceren in een ongebonden elektron (terwijl de XUV-fotonen het atoom ioniseren door een elektron van een gebonden toestand naar het continuüm over te brengen).

Directe meting van vertragingen als gevolg van Bremsstrahlung

Niet alleen kregen de ETH-fysici toegang tot tijdvertragingen van elke overgang van één foton - dit zijn ook de eerste metingen van dergelijke tijdvertragingen voor de absorptie en emissie van fotonen door ongebonden elektronen, een fenomeen dat bekend staat als (inverse) Bremsstrahlung. De experimentele resultaten worden goed gereproduceerd door twee onafhankelijke theoretische methoden die Fuchs en collega's gebruikten. Deze simulaties leveren ook bewijs dat sommige van de waargenomen effecten universeel zijn in die zin dat ze onafhankelijk zijn van de atomaire soort van het ouder-ion.

Dit werk illustreert dat 115 jaar na Einsteins baanbrekende werk, het foto-elektrisch effect houdt niet op te inspireren. De tools die door Fuchs en collega's zijn geïntroduceerd, bieden nieuwe experimentele mogelijkheden voor het bestuderen van foto-ionisatiedynamiek, zowel in atomen als in kleine moleculen. Dergelijke studies zouden op hun beurt een beter begrip kunnen geven van de vertragingen in de foto-emissietijd, in het bijzonder in de aanwezigheid van interacties in het middellange tot lange bereik.