Elektron (grön) som avges från en volframatom i det andra atomlagret i halvledaren volfram diselenid (WSe2). Elektronen startar sin bana med en kretsande rörelse och först efter en tid tar den raka flykten från sändaratomen över. Elektronen som kretsar eller "dansar" beror på det ursprungliga tillståndet och varierar således mellan volfram- och selenatomer och olika initialtillstånd. Ultrakortspulser av ljus användes för att ta tiden mellan olika utsläppskanaler med en precision på 10-17 sekunder. Kredit:Bielefeld University
Ännu mer än 100 år efter Einsteins förklaring av fotoemission medför processen för elektronemission från ett fast material vid belysning med ljus fortfarande utmanande överraskningar. I rapporten som nu publicerats i tidningen Vetenskap ultrakorte ljuspulser användes för att starta en tävling mellan elektroner som emitteras från olika initialtillstånd i ett fast material. Att tajma det här loppet avslöjar ett oväntat resultat:De snabbaste elektronerna kommer på sista plats.
För den nya publikationen samarbetade fysiker från Bielefeld University (Tyskland) med kollegor vid Donostia International Physics Center och University of the Baskien i San Sebastian (Spanien).
Rörelsen hos en utsänd elektron påverkas starkt av interaktioner inuti atomen från vilken elektronen avges. Elektroner som fotoemitteras från en yta förblir instängda ett tag, dynamiskt begränsad av centrifugalbarriären runt atomerna. Dessa elektroners rörelse runt kärnorna, innan det så småningom släpps ut, är en slags dans som leder till en intuitiv bild (se figur) att elektronerna som förblir längre dansar runt atomen förlorar loppet och släpps ut sist. I kontrast, elektroner som går rakt vinner loppet. Denna observation krävde en revidering av vanliga teoretiska modeller som beskrev fotoemissionen från fasta ämnen, d.v.s. denna initiala intraatomära interaktion måste beaktas och sätter en ny hörnsten för framtida förbättrade modeller av fotoemissionsprocessen från fasta ämnen.
Experimentellt att lösa de små förseningarna i fotoemissionsprocessen krävde tidsinställning av utsläppshändelsen, dvs. det ögonblick då elektronen lämnar materialet, med en oöverträffad upplösning på 10 -17 sekunder. Usain Bolt skulle springa i detta tidsintervall ett avstånd som motsvarar tiondel av radien för en atomkärna och även ljus sprider sig bara 3 nm (3x10 9 m). Denna knappast tänkbara upplösning tillåter tidsbestämning av elektronernas lopp i experiment som utfördes vid Bielefeld University med hjälp av avancerad attosekund tidsupplöst laserspektroskopi. Valet av volframdiselenid som material visade sig vara väsentligt:Det ger fyra fotoelektronemissionskanaler med olika initialtillståndsegenskaper och ytans enastående stabilitet möjliggjorde långsiktig datainsamling som förbättrar den statistiska signifikansen.
För förklaringen av elektronrasets resultat visade sig ett nära samarbete med ett team av teoretiska fysiker vid Donostia International Physics Center och University of the Baskien i San Sebastian vara nödvändigt. Kvantitativ modellering av de intraatomiska processerna och elektronutbredningen i halvledarkristallen visade att den initiala kretsrörelsen inte ska försummas om dynamiken i fotoemissionsprocessen från ett fast ämne beaktas. Ändå representerar den uppnådda teoretiska modellen bara ett första steg i tolkningen av den uppmätta elektronrasen eftersom intraatomär rörelse och utbredning i kristallen behandlas separat. I framtiden kommer dessa processer att behandlas i ett enhetligt tillvägagångssätt och den därmed förbättrade teorin om fotoemission kommer att öppna nya möjligheter att experimentellt testa och förbättra vår förståelse av den mycket grundläggande processen för fotoemission.
De rapporterade framstegen i att förstå fotoemission från fasta ämnen blev möjliga baserat på nyligen utvecklade attosecond-lasertekniker. Styrning av ljus med attosekundupplösning öppnar fascinerande syn på elektrondynamik på atomskala. Medan femtosekundspektroskopi tjänade till att studera och kontrollera atomrörelse, attosecond spektroskopi tar nu direkt upp grunderna för ljusets interaktion med materia. Förutom en förbättrad grundläggande förståelse erbjuder dessa tekniker möjligheter att styra ljusdrivna elektroniska processer. Den tillämpade spektroskopin bygger på acceleration och retardation av utsända elektroner i ett intensivt tidsberoende elektriskt fält. Baserat på en förbättrad förståelse av själva fotoemissionsprocessen kommer detta att tjäna i framtida experiment för att lösa variationer av ljusfält med subatomär upplösning, dvs. på en skala som hittills inte var tillgänglig.
