Natuurkundigen hebben de vluchttijden gemeten van elektronen die worden uitgezonden door een specifiek atoom in een molecuul bij excitatie met laserlicht. Hierdoor konden ze de invloed van het molecuul zelf op de emissiekinetiek meten.

Foto-emissie - het vrijkomen van elektronen als reactie op excitatie door licht - is een van de meest fundamentele processen in de microkosmos. De kinetische energie van het uitgezonden elektron is kenmerkend voor het betreffende atoom, en hangt af van de golflengte van het gebruikte licht. Maar hoe lang duurt het proces? En duurt het altijd even lang, ongeacht of het elektron wordt uitgezonden door een individueel atoom of door een atoom dat deel uitmaakt van een molecuul? Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van laserfysici in het Laboratory for Attosecond Physics (LAP) aan de LMU München en het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) in Garching heeft nu de invloed van het molecuul op de foto-emissietijd onderzocht.

De theoretische beschrijving van foto-emissie in 1905 door Albert Einstein betekende een doorbraak in de kwantumfysica, en de details van het proces zijn van blijvend belang in de wereld van de wetenschap en daarbuiten. Hoe de bewegingen van een elementair kwantumdeeltje zoals het elektron worden beïnvloed in een moleculaire omgeving, is van grote invloed op ons begrip van het proces van foto-emissie en de krachten die moleculen bij elkaar houden.

In nauwe samenwerking met onderzoekers van de King Saud University (KSU) in Riyadh (Saoedi-Arabië), en aanvullende internationale partners, het team van LAP heeft nu bepaald hoe lang het duurt voordat elektronen worden uitgezonden door een specifiek atoom in een molecuul (in dit geval het jodium in ethyljodide). De gemeten tijden lagen in het bereik van tientallen attoseconden. Een attoseconde is een miljardste van een miljardste van een seconde.

De onderzoekers gebruikten een reeks pulsen in het röntgengebied om het beoogde elektron te exciteren. Het gebruik van machine learning hielp de nauwkeurigheid van de analyse van de experimentele gegevens te verbeteren, en resulteerde in nauwkeurigere vergelijkingen met theoretische voorspellingen. "De vergelijking van de experimentele gegevens met theoretische simulaties onthulde uiteindelijk de invloed van het molecuul op de tijd die elektronen nodig hebben voor het foto-emissieproces, " legt professor Matthias Kling uit, die aan het hoofd staat van de Ultrafast Imaging and Nanophotonics-groep binnen het LAP-team. De onderzoekers ontdekten dat de vertraging toe te schrijven aan de moleculaire omgeving groter werd naarmate de energie van de lichtpulsen - en dus de initiële kinetische energie die aan de elektronen werd gegeven - werd verminderd.

De waarnemingen zijn te vergelijken met het verkennen van een landschap. Als je er overheen vliegt, veel details op de grond blijven onopgemerkt. Op grondniveau, elke hobbel laat zich voelen. Hetzelfde geldt voor aangeslagen elektronen. Als de eerste impuls net genoeg is om het molecuul te verlaten, het vertragende effect van de krachten die het molecuul bij elkaar houden is groter dan wanneer de 'kick' krachtig genoeg is om ze sneller uit te stoten.

"Onze waarnemingen geven aan dat experimenten die de foto-emissietijd volgen, ons in staat stellen om te leren over de krachten in moleculen, " legt professor Abdallah Azzeer uit, Hoofd van het Laboratorium voor Attoseconde Fysica aan de KSU in Riyad. "Deze studies zouden ons begrip van kwantumeffecten in moleculen en chemische reacties kunnen verbeteren, " voegt prof. Alexandra Landsman van de Ohio State University in de VS toe, die de groep leidt die het grootste deel van het theoretische werk heeft uitgevoerd.