Dauer des Photoeffekts gemessen
Elektronenemission aus einem Kristall geschieht binnen einiger Attosekunden.
Der photoelektrische Effekt liefert die Grundlage für Solarenergie und globale Kommunikation. Vor über einem Jahrhundert hat ihn Albert Einstein beschrieben. Nun haben Wissenschaftler der Technischen Universität München TUM, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik MPQ und der Technischen Universität Wien erstmals die absolute Dauer gemessen von der Lichtaufnahme und dem sich dadurch lösenden Photoelektron aus einem Festkörper.
Abb.: Ein Laserpuls trifft die Wolfram-Oberfäche, auf der Iod-Atome aufgebracht sind. Sowohl Wolfram- als auch Jod-Atome verlieren Elektronen, die dann gemessen werden. (Bild: TU Wien)
Wird ein Festkörper mit Röntgenimpulsen bestrahlt, dann lösen sich Elektronen und wandern an die Oberfläche. Doch wie lange dauert das? Dieser Frage ist das internationale Forscherteam um den aus dem Land Salzburg stammenden Reinhard Kienberger vom Lehrstuhl für Laser- und Röntgenphysik an der TUM nachgegangen. Denn bisher konnten nur Richtung und Energie der Elektronen bestimmt werden. Der Weg der Elektronen etwa durch einen Kristall konnte aufgrund seiner winzigen Dimensionen und der extrem kurzen Dauer des Prozesses bis dato nicht beobachtet werden. Das Team hat jedoch eine neue Messmethode entwickelt, die es nun erlaubt, die Zeit zwischen der Absorption eines Röntgen-Photons und der Emission eines Elektrons zu bestimmen.
Für diese Experimente hefteten die Physiker einzelne Jod-Atome auf einen Wolframkristall und bestrahlten ihn mit Röntgenblitzen, die den Photoeffekt starteten. Da die Jod-Atome extrem schnell auf einfallendes Röntgenlicht reagieren, dienen sie als Licht- und Elektronen-Stoppuhren. 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 Photoelektronen aus einem Kristall mit einer Genauigkeit von wenigen Attosekunden zu stoppen“, sagt Reinhard Kienberger. Die Messung zeigt, dass Photoelektronen aus dem Wolframkristall in rund vierzig 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 konnte mit dem Experiment beobachtet werden: 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 Photokathoden für eine Anwendung in Freie-Elektronen-Laser interessant sein, urteilen die Wissenschaftler, da sie nun wissen, wie sie die Photon-Elektron-Umwandlung beschleunigen oder manipulieren können. Mit der neuen Methode kann außerdem das Verhalten von komplizierten Molekülen auf Oberflächen untersucht werden – ein vielversprechender Ansatz etwa um neuartige Solarzellen zu entwickeln. Denn mit dem Wissen über die bislang unbekannten photochemischen Prozesse können technische Anwendungen viel besser optimiert werden.
TUM / JOL
