Fysiker har mätt flygtiderna för elektroner som emitteras från en specifik atom i en molekyl vid excitation med laserljus. Detta har gjort det möjligt för dem att mäta inverkan av själva molekylen på emissionskinetiken.

Fotoemission - frisättning av elektroner som svar på excitation av ljus - är en av de mest grundläggande processerna i mikrokosmos. Den emitterade elektronens kinetiska energi är karakteristisk för den berörda atomen, och beror på våglängden hos det använda ljuset. Men hur lång tid tar processen? Och tar det alltid lika lång tid, oavsett om elektronen avges från en enskild atom eller från en atom som är en del av en molekyl? Ett internationellt team av forskare ledda av laserfysiker i Laboratory for Attosecond Physics (LAP) vid LMU München och Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) i Garching har nu undersökt molekylens inflytande på fotoemissionstiden.

Den teoretiska beskrivningen av fotoemission 1905 av Albert Einstein markerade ett genombrott inom kvantfysiken, och detaljerna i processen är av fortsatt intresse i vetenskapens värld och bortom. Hur rörelserna hos en elementär kvantpartikel som elektronen påverkas i en molekylär miljö har en betydande betydelse för vår förståelse av processen för fotoemission och de krafter som håller samman molekyler.

I nära samarbete med forskare från King Saud University (KSU) i Riyadh (Saudiarabien), och ytterligare internationella partners, teamet på LAP har nu bestämt hur lång tid det tar för elektroner att fotoemitteras från en specifik atom i en molekyl (i det här fallet, jod i etyljodid). De uppmätta tiderna låg i intervallet tiotals attosekunder. En attoseund är en miljarddels miljarddels sekund.

Forskarna använde en rad pulser i röntgenområdet för att excitera den riktade elektronen. Användningen av maskininlärning bidrog till att förbättra precisionen i analysen av experimentella data, och resulterade i mer exakta jämförelser med teoretiska förutsägelser. "Jämförelsen av experimentdata med teoretiska simuleringar avslöjade slutligen molekylens inverkan på den tid som elektroner behöver för fotoemissionsprocessen, " förklarar professor Matthias Kling, som leder gruppen Ultrafast Imaging och Nanophotonics inom LAP-teamet. Forskarna fann att fördröjningen som kan hänföras till den molekylära miljön blev större när energin från ljuspulserna - och därmed den initiala kinetiska energin som överfördes till elektronerna - minskade.

Observationerna kan jämföras med att utforska ett landskap. När man flyger över den, många detaljer på marken förblir obemärkta. På marknivå, varenda bula gör sig påmind. Detsamma gäller för exciterade elektroner. Om den initiala impulsen är precis tillräckligt för att de ska kunna lämna molekylen, den fördröjande effekten av krafterna som håller ihop molekylen är större än när ”sparken” är tillräckligt energisk för att mata ut dem snabbare.

"Våra observationer tyder på att experiment som spårar fotoemissionstid tillåter oss att lära oss om krafterna i molekyler, " förklarar professor Abdallah Azzeer, Chef för Laboratory for Attosecond Physics vid KSU i Riyadh. "Dessa studier kan förbättra vår förståelse av kvanteffekter i molekyler och kemiska reaktioner, " tillägger prof. Alexandra Landsman från Ohio State University i USA, som leder gruppen som bedrivit huvuddelen av det teoretiska arbetet.