Forschung & Entwicklung

Dauer des photoelektrischen Effekts präzise vermessen

Mithilfe von Experimenten und Berechnungen ist es erstmals gelungen, die absolute Dauer von der Lichtaufnahme und dem sich dadurch lösenden Photoelektron aus einem Festkörper zu messen.

Der photoelektrische Effekt spielt in vielen technischen Bereichen eine wichtige Rolle, etwa in Solarzellen oder bei der Umwandlung von Daten aus dem Glasfaserkabel in elektrische Signale. Er ereignet sich auf einer Zeitskala im Attosekundenbereich sodass man ihn bisher meist als instantan betrachtete – als plötzliche Zustandsänderung, von einem Augenblick zum nächsten. Neue Messmethoden sind allerdings so präzise, dass es nun möglich wurde, den Ablauf eines solchen Prozesses zu beobachten und seine Dauer genau zu vermessen. Ein Team der TU Wien ermittelte gemeinsam mit Forschern von der TU München (TUM), vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) aus Garching und vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie die Dauer der Quantensprünge von Elektronen einer Wolframoberfläche.

Das internationale Team hat dazu eine neue Messmethode entwickelt, die es nun erlaubt, die Zeit zwischen der Absorption eines Röntgenphotons und der Emission eines Elektrons zu bestimmen. Dazu ‚klebten‘ die Physiker einzelne Iodatome auf einen Wolframkristall und bestrahlten ihn mit Röntgenblitzen, die den Fotoeffekt starteten. Da die Iodatome extrem schnell auf einfallendes Röntgenlicht reagieren, dienen sie als Licht- und Elektronenstoppuhren.

Um die Präzision der Messung zu erhöhen, wurden diese Stoppuhren dann in einem weiteren Experiment mithilfe einer erst kürzlich entwickelten absoluten Referenz geeicht. „Dies ermöglicht, das Austreten der Fotoelektronen aus einem Kristall mit einer Genauigkeit von wenigen Attosekunden zu stoppen“, sagt Professor Reinhard Kienberger von der TUM.

Die Messung zeigt, dass Fotoelektronen aus dem Wolframkristall in rund 40 Attosekunden erzeugt werden können – etwa doppelt so schnell wie erwartet. Das liegt daran, dass mit Licht bestimmter Farben hauptsächlich die Atome in der obersten Schicht des Wolframkristalls wechselwirkten. Ein weiterer interessanter Effekt ließ sich mit dem Experiment beobachten: Noch schneller werden Elektronen aus Atomen auf der Oberfläche eines Kristalls gelöst. Nach der Bestrahlung mit Röntgenlicht gaben sie ohne messbare Verzögerung direkt Elektronen frei. Dies könnte fürs Herstellen von besonders schnellen Fotokathoden für eine Anwendung in Freie-Elektronen-Laser interessant sein, urteilen die TUM-Wissenschaftler, da sie nun wissen, wie sie die Photon-Elektron-Umwandlung beschleunigen oder manipulieren können.

Mit der neuen Methode lässt sich außerdem das Verhalten von komplizierten Molekülen auf Oberflächen untersuchen – ein vielversprechender Ansatz etwa um neuartige Solarzellen zu entwickeln. Denn mit dem Wissen über die bislang unbekannten fotochemischen Prozesse können technische Anwendungen viel besser optimiert werden.

Originalveröffentlichung:

[M. Ossiander et al., Absolute timing of the photoelectric effect, Nature 561 (2018), DOI: 10.1038/s41586-018-0503-6]

von mn

www.tuwien.ac.at

www.tum.de

www.mpq.mpg.de

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