Bijna een eeuw geleden, Albert Einstein ontving de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor zijn verklaring van het foto-elektrisch effect. Gepubliceerd in 1905, De theorie van Einstein omvatte het idee dat licht bestaat uit deeltjes die fotonen worden genoemd. Als licht op materie valt, de elektronen in het monster reageren op de invoer van energie, en de interactie leidt tot wat bekend staat als het foto-elektrisch effect. Lichtquanta (fotonen) worden door het materiaal geabsorbeerd en prikkelen de gebonden elektronen. Afhankelijk van de golflengte van de lichtbron, dit kan resulteren in het uitwerpen van elektronen. De elektronische bandstructuur van het betrokken materiaal heeft een significant effect op de tijdschalen van foto-emissie. Natuurkundigen van de Ludwig-Maximilian University (LMU) in München en het Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) hebben het fenomeen foto-emissie nu onder de loep genomen. Ze maten de invloed van de bandstructuur van wolfraam op de dynamiek van foto-elektronenemissie, en geven theoretische interpretaties van hun waarnemingen.

Dit is nu mogelijk dankzij de ontwikkeling en voortdurende verfijning van de attosecond-technologie. Een "attoseconde" komt overeen met 10 ^-18 van een seconde, oftewel een miljardste van een miljardste van een seconde. Het vermogen om op reproduceerbare wijze reeksen pulsen van laserlicht te genereren die een paar honderd attoseconden duren, stelt onderzoekers in staat het verloop van foto-emissie te volgen door de actie met regelmatige tussenpozen te "bevriezen" - analoog aan een stroboscoop, maar met een veel betere temporele resolutie.

In een reeks foto-elektronenspectroscopie-experimenten, het team gebruikte attoseconde pulsen van extreem ultraviolet licht om de dynamiek van foto-emissie van een wolfraamkristal te onderzoeken. Elke puls bevatte een paar honderd röntgenfotonen, elk energiek genoeg om een ​​foto-elektron los te maken. Met behulp van detectoren die voor het kristal zijn gemonteerd, het team was in staat om de uitgeworpen elektronen te karakteriseren in termen van hun vluchttijden en emissiehoeken.

De resultaten onthulden dat elektronen die interageren met binnenkomende fotonen enige tijd nodig hebben om op dergelijke ontmoetingen te reageren. Deze bevinding werd mogelijk gemaakt door de goedkeuring van een nieuwe benadering voor het genereren van attoseconde-pulsen. Dankzij de introductie van een passieve holteresonator met een versterkingsfactor van 35, de nieuwe opstelling kan nu pulsen van attoseconden produceren met een snelheid van 18,4 miljoen per seconde, ongeveer 1000 keer hoger dan wat eerder gebruikelijk was in vergelijkbare systemen. Omdat de pulsherhalingsfrequentie zo hoog is, slechts zeer weinig foto-elektronen per puls zijn voldoende om een ​​hoge gemiddelde flux te verschaffen.

"Omdat de negatief geladen foto-elektronen elkaar afstoten, hun kinetische energieën zijn onderhevig aan snelle veranderingen. Om hun dynamiek te karakteriseren, het is daarom belangrijk om ze over zoveel mogelijk attoseconde pulsen te verdelen, " zoals de gezamenlijke eerste auteur Dr. Tobias Saule uitlegt. De verhoogde hartslag betekent dat de deeltjes weinig kans hebben om met elkaar in wisselwerking te staan, omdat ze goed verdeeld zijn in tijd en ruimte, zodat de maximale energieresolutie grotendeels behouden blijft. Op deze manier, het team kon aantonen dat in termen van de kinetiek van foto-emissie, elektronen in aangrenzende energietoestanden in de valentieband (d.w.z. de buitenste banen van de atomen in het kristal), die verschillende hoekmomenten hebben, verschillen ook enkele tientallen attoseconden in de tijd die ze nodig hebben om te reageren op binnenkomende fotonen.

Opmerkelijk, de rangschikking van de atomen in het kristal zelf heeft een meetbare invloed op de vertraging tussen de aankomst van de lichtpuls en het uitwerpen van foto-elektronen. "Een kristal is opgebouwd uit massa's atomen, waarvan alle kernen positief geladen zijn. Elke kern is de bron van een elektrische potentiaal, die de negatief geladen elektronen aantrekt - op dezelfde manier als een rond gat fungeert als een potentiaalbron voor knikkers, " zegt dr. Stephan Heinrich, tevens mede-eerste auteur van het rapport. "Als een elektron uit een kristal wordt losgemaakt, wat er gebeurt, lijkt een beetje op de voortgang van een knikker over een tafel vol kuilen.

Deze inkepingen vertegenwoordigen de posities van de individuele atomen in het kristal, en ze worden regelmatig georganiseerd. De baan van het marmer wordt direct beïnvloed door hun aanwezigheid, en het verschilt van wat zou worden waargenomen op een glad oppervlak, "Hij wijst erop. "We hebben nu aangetoond hoe zo'n periodiek potentieel in een kristal het temporele gedrag van foto-emissie beïnvloedt - en we kunnen het theoretisch verklaren, " Stephan Heinrich legt uit. De waargenomen vertragingen kunnen worden toegeschreven aan de complexe aard van elektronentransport van het binnenste naar het oppervlak van het kristal, en op de impact van de elektronenverstrooiing en correlatie-effecten die dit met zich meebrengt.

"De inzichten die door onze studie zijn verkregen, openen de mogelijkheid van experimenteel onderzoek naar de complexe interacties die plaatsvinden in multi-elektronsystemen in gecondenseerde materie op een tijdschaal van attoseconden. Dit zal ons op zijn beurt in staat stellen om ze theoretisch te begrijpen, " zegt LMU-Prof. Ulf Kleineberg, die het project leidde.

Op langere termijn, de nieuwe bevindingen kunnen ook leiden tot nieuwe materialen met elektronische eigenschappen die de interacties tussen licht en materie verbeteren, die zonnecellen efficiënter zouden maken, en het verbeteren van de schakelsnelheden van nano-optische componenten voor ultrasnelle gegevensverwerking en het bevorderen van de ontwikkeling van nanosystemen voor gebruik in de biomedische wetenschappen.