Elektronernas dynamik förändras lite för varje interaktion med en foton. Fysiker vid ETH Zürich har nu mätt ett sådant samspel i dess utan tvekan renaste form – genom att registrera tidsfördröjningar i attosekunder som är associerade med en-fotonövergångar i en obunden elektron.

Den fotoelektriska effekten, varvid fotoner som träffar materia orsakar emission av elektroner, är en av kvantmekanikens avgörande effekter. Einstein förklarade den viktigaste mekanismen bakom fenomenet 1905, gav honom 1921 års Nobelpris i fysik. Han byggde på ett koncept som introducerades fem år tidigare av Max Planck:Elektromagnetisk energi absorberas och sänds endast ut i diskreta paket – det vill säga, i kvantum. Kvantkonceptet revolutionerade fysiken. Den fotoelektriska effekten, för sin del, har utforskats mer i detalj, och utnyttjas idag i applikationer som sträcker sig från solceller till mörkerseende.

En förändring i förståelsen av effekten uppstod under det senaste decenniet eller så. Laserexperiment gjorde det möjligt att titta direkt på den invecklade kvantdynamiken som utspelar sig i attosekundens tidsskala när elektroner tas bort från deras föräldersystem när de interagerar med ljus. Dock, tidsupplösta mätningar av fotojoniseringsprocessen i dess förmodligen renaste form - absorption och emission av enstaka fotoner av en enda obunden elektron - förblev svårfångade, tills nu.

Skriver i tidningen Optica , Jaco Fuchs och kollegor i gruppen Ultrafast Laser Physics av ​​Prof. Ursula Keller vid Institute of Quantum Electronics, arbetar med kollaboratörer i USA, Österrike och Spanien, rapportera ett experiment där de mätte hur absorption och emission av enstaka fotoner förändrar dynamiken hos en elektron som inte är bunden till en atomkärna, men har fortfarande sin Coulomb-potential. Vi introducerar ett nytt experimentellt protokoll, de fann att dynamiken beror på den fotojoniserade elektronens rörelsemängd. Forskarna mätte en fördröjning på upp till 12 attosekunder mellan utgående s- och d-elektroner i helium. Detta är en subtil men omisskännlig signatur av underliggande kvantmekaniska effekter. Och de observerade grundfenomen av klassiskt ursprung, också – de mätte fasförändringar vilket indikerar att i d-elektroner, utbredningen är långsammare än i s-elektroner. Detta kan förklaras av den större andelen rotationsenergi och därmed en lägre radiell energi i d-elektroner.

Extrahera bidraget från enstaka fotoner

Dessa resultat markerar flera förstaplatser. Keller-gruppen har varit pionjär inom olika områden inom attovetenskap, inklusive mätning av attosekond tidsfördröjningar i fotojonering som uppstår när fotoexciterade elektroner förökar sig i moderjonens potential, vilket resulterar i en mätbar gruppfördröjning. Mätningen av dessa tidsfördröjningar i attosekundskala involverar vanligtvis minst två fotoner, vilket gör det exceptionellt svårt att extrahera bidraget från enskilda fotoner. Fuchs et al. har nu hittat ett sätt att göra just det.

I deras fall, två fotoner är inblandade, en i det extrema ultravioletta (XUV) och den andra i det infraröda (IR) området. Men de utarbetade en anpassningsprocedur som gjorde det möjligt för dem att extrahera amplituderna och de relativa faserna för alla kvantvägar genom vilka fotojonering fortskrider i deras system från sina högkvalitativa data. På det här sättet, de kunde isolera bidragen från IR-fotoner, vilka är de som inducerar övergångar i en obunden elektron (medan XUV-fotonerna joniserar atomen genom att överföra en elektron från ett bundet tillstånd till kontinuumet).

Direkt mätning av förseningar till följd av Bremsstrahlung

ETH-fysikerna fick inte bara tillgång till tidsfördröjningar från alla enfotonövergångar – det här är också de första mätningarna av sådana tidsfördröjningar för absorption och emission av fotoner av obundna elektroner, ett fenomen som kallas (invers) Bremsstrahlung. De experimentella resultaten är väl återgivna av två oberoende teoretiska metoder som Fuchs och kollegor använde. Dessa simuleringar ger också bevis för att några av de observerade effekterna är universella i den meningen att de är oberoende av moderjonens atomart.

Detta arbete illustrerar att 115 år efter Einsteins framstående verk, den fotoelektriska effekten upphör inte att inspirera. Verktygen som introducerats av Fuchs och medarbetare ger nya experimentella möjligheter för att studera fotojoniseringsdynamik, både i atomer och i små molekyler. Sådana studier kan i sin tur ge en mer fullständig förståelse av förseningar i fotoutsläpp, i synnerhet i närvaro av interaktioner i det medellånga till långa området.