I den fotoelektriska effekten, en foton matar ut en elektron från ett material. Forskare vid ETH har nu använt attosekundlaserpulser för att mäta tidsutvecklingen av denna effekt i molekyler. Av deras resultat kan de härleda den exakta platsen för en fotojoniseringshändelse.

När en foton träffar ett material, den kan mata ut en elektron från den förutsatt att den har tillräckligt med energi. Albert Einstein fann den teoretiska förklaringen till detta fenomen, som kallas den fotoelektriska effekten, i Bern under hans "underverkets år" 1905. Den förklaringen var ett avgörande bidrag till utvecklingen av kvantmekanik, som var på gång just då, och det gav honom Nobelpriset i fysik 1921. Ett internationellt team av fysiker under ledning av Ursula Keller vid Institute for Quantum Electronics i ETH Zürich har nu lagt till en ny dimension i den experimentella undersökningen av denna viktiga effekt. Med hjälp av attosekundlaserpulser kunde de mäta en liten tidsskillnad i elektronens utstötning från en molekyl beroende på elektronens position inuti molekylen.

"Ett tag, människor har studerat tidsutvecklingen av den fotoelektriska effekten i atomer ", säger doktorand student Jannie Vos, "men väldigt lite har hittills publicerats om molekyler." Det beror främst på att molekyler är betydligt mer komplexa än enstaka atomer. I en atom, den yttersta elektronen som rör sig runt atomkärnan katapulteras i huvudsak ur sin bana. I en molekyl, däremot, två eller flera kärnor delar samma elektron. Var den ligger beror på samspelet mellan de olika attraktiva potentialerna. Exakt hur den fotoelektriska effekten sker under sådana förhållanden kunde först nu studeras i detalj.

Att göra så, Keller och hennes medarbetare använde kolmonoxidmolekyler, som består av två atomer - ett kol och en syreatom. Dessa molekyler utsattes för en extrem ultraviolett laserpuls som bara varade i några attosekunder. (En attosekund är den miljarder delen av en miljarddel av en sekund). Energin i de ultravioletta fotonerna slet ut en elektron ur molekylerna, som sedan bröt upp i deras ingående atomer. En av dessa atomer förvandlades till en positivt laddad jon i processen. Med ett speciellt instrument, forskarna mätte sedan i vilka riktningar elektronerna och jonerna flög iväg. En andra laserpuls, som fungerade som ett slags mätstick, tillät dem också att bestämma det exakta ögonblick då elektronen lämnade molekylen.

"På detta sätt kunde vi för första gången, för att mäta den så kallade Stereo Wigner-tidsfördröjningen, "förklarar Laura Cattaneo, som arbetar som postdoktor i Kellers grupp. Stereo Wigner -tidsfördröjningen mäter hur mycket tidigare eller senare en elektron lämnar molekylen om den ligger nära syreatomen eller kolatomen när fotojonisering sker. De extremt korta laserpulserna gör det möjligt att mäta det ögonblicket till inom några attosekunder. Av den informationen, i tur och ordning, det är möjligt att bestämma platsen för joniseringshändelsen inuti molekylen till inom en tiondel av en nanometer. De experimentella resultaten överensstämmer väl med teoretiska förutsägelser som beskriver den mest troliga positionen för en elektron vid fotojoniseringen.

Nästa, ETH -forskarna vill titta närmare på större molekyler, börjar med skrattgasen N2O. Den extra atomen i den molekylen gör redan den teoretiska beskrivningen lite svårare, men samtidigt hoppas fysikerna få nya insikter, till exempel till den så kallade laddningsmigrationen inuti molekyler, som spelar en viktig roll i kemisk process.

I princip borde det till och med vara möjligt att använda attosekundlaserpulser inte bara för att studera dessa processer, men också att avsiktligt styra dem och därmed styra kemiska reaktioner i detalj. Just nu, dock, sådan attokemi är fortfarande långt borta, som Jannie Vos påpekar:"I teorin är det väldigt spännande, men mycket återstår att göra innan vi kommer dit. "