När ljus träffar en metall kan dess energi excitera elektroner, vilket får dem att hoppa från lägre till högre energinivåer. Denna process, känd som fotoexcitation, är avgörande för ett brett utbud av tekniker, inklusive solceller, fotodioder och lysdioder (LED). Den exakta händelseförloppet som inträffar under fotoexcitation har dock förblivit svårfångad.
Nu har forskarna fångat en detaljerad sekvens av dessa händelser i realtid, vilket ger en direkt observation av hur ljus exciterar elektroner i en metall. Teamet utförde experimenten vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) och använde en ultrasnabb laser för att excitera elektroner i en tunn metallfilm. De använde sedan en tidsupplöst fotoemissionsspektrometer för att mäta energin och rörelsemängden hos de exciterade elektronerna som en funktion av tiden.
Resultaten, publicerade i tidskriften Nature, avslöjar att fotoexcitation sker i en serie steg. Först absorberas ljuset av metallen, vilket skapar ett elektron-hålspar. Elektronen och hålet accelererar sedan snabbt i motsatta riktningar på grund av de elektriska fälten som skapas av ljusvågen. Slutligen rekombinerar elektronen och hålet och avger en foton av ljus.
Forskarna kunde direkt observera denna process genom att använda en ultrakort laserpuls för att excitera elektronerna. Detta gjorde det möjligt för dem att fånga dynamiken i fotoexcitationsprocessen på en tidsskala av femtosekunder (10-15 sekunder).
"Vi kan nu se exakt vad som händer när ljus träffar en metall", säger Philip Heimann, professor i tillämpad fysik vid Stanford University och medförfattare till studien. "Detta är en grundläggande förståelse för en process som är väsentlig för många optoelektroniska enheter."
Teamets resultat kan leda till utvecklingen av nya optoelektroniska enheter som är mer effektiva och har snabbare svarstider. De kan också hjälpa forskare att förstå hur ljus interagerar med andra material, såsom halvledare och isolatorer.
