EPFL-forskare har kunnat mäta den ultrakorta tidsfördröjningen i elektronfotoemission utan att använda en klocka. Upptäckten har viktiga konsekvenser för grundforskning och spjutspetsteknologi.

När ljus lyser på vissa material, det får dem att avge elektroner. Detta kallas "fotoemission" och det förklarades av Albert Einstein 1905, vinna honom Nobelpriset. Men bara under de senaste åren, med framsteg inom laserteknik, har forskare kunnat närma sig de otroligt korta tidsskalorna för fotoemission. Forskare vid EPFL har nu fastställt en fördröjning på en miljarddels av en miljarddels sekund i fotoemission genom att mäta spinn av fotoemitterade elektroner utan behov av ultrakorta laserpulser. Upptäckten publiceras i Fysiska granskningsbrev .

Fotoemission

Fotoemission har visat sig vara ett viktigt fenomen, bildar en plattform för banbrytande spektroskopitekniker som gör det möjligt för forskare att studera egenskaperna hos elektroner i ett fast ämne. En sådan egenskap är spin, en inneboende kvantegenskap hos partiklar som gör att de ser ut som om de roterar runt sin axel. Graden till vilken denna axel är inriktad mot en viss riktning kallas spinnpolarisering, vilket är det som ger vissa material, som järn, magnetiska egenskaper.

Även om det har gjorts stora framsteg med att använda fotoemission och spinnpolarisering av fotoemitterade elektroner, tidsskalan i vilken hela denna process äger rum har inte utforskats i detalj. Det vanliga antagandet är att när ljuset når materialet, elektroner exciteras och emitteras omedelbart. Men nyare studier med avancerad laserteknik har utmanat detta, visar att det faktiskt finns en tidsfördröjning på skalan av attosekunder.

Tid utan klocka

Hugo Dils labb vid EPFL, med kollegor i Tyskland, visade att under fotoemission, spinpolarisationen av emitterade elektroner kan relateras till fotoemissionens attosekundtidsfördröjningar. Mer viktigt, de har visat detta utan behov av någon experimentell tidsupplösning eller mätning – i huvudsak, utan att behöva en klocka. Att göra detta, forskarna använde en typ av fotoemissionsspektroskopi (SARPES) för att mäta spinn av elektroner fotoemitterade från en kopparkristall.

"Med lasrar kan du direkt mäta tidsfördröjningen mellan olika processer, men det är svårt att avgöra när en process startar - tid noll, " säger Mauro Fanciulli, en doktorand i Dils grupp och första författare på tidningen. "Men i vårt experiment mäter vi tid indirekt, så vi har inte det problemet - vi kan komma åt en av de kortaste tidsskalorna som någonsin uppmätts. De två teknikerna [spin och lasrar], är komplementära, och tillsammans kan de ge en helt ny värld av information."

Informationen om tidsskalan för fotoemission ingår i vågfunktionen för de emitterade elektronerna. Detta är en kvantbeskrivning av sannolikheten för var en given elektron kan hittas vid en given tidpunkt. Genom att använda SAPRES, forskarna kunde mäta elektronernas spinn, vilket i sin tur gjorde det möjligt för dem att komma åt sina vågfunktionsegenskaper.

"Arbetet är ett principbevis som kan utlösa ytterligare grundläggande och tillämpad forskning, " säger Hugo Dil. "Den handlar om själva tidens grundläggande natur och kommer att hjälpa till att förstå detaljerna i fotoemissionsprocessen, men det kan också användas i fotoemissionsspektroskopi på material av intresse." Några av dessa material inkluderar grafen och högtemperatursupraledare, som Dil och hans kollegor ska studera härnäst.