Überraschung beim Photoeffekt
Gleichzeitige Photoemission von inneren und äußeren Elektronen widerspricht theoretischen Modellen.
Wird Materie mit Licht bestrahlt, werden Elektronen frei. Die Erklärung dieses photoelektrischen Effekts durch Einstein im Jahr 1905 war ein wesentlicher Schritt von der klassischen hin zur Quantenphysik. Mithilfe ultrakurzer Laserpulse haben Wissenschaftler an der TU München zusammen mit anderen Forschern jetzt den zeitlichen Ablauf des Photoeffekts an Festkörpern näher erforscht. Das überraschende Ergebnis: Unabhängig von ihrer ursprünglichen räumlichen Verteilung gehen die Elektronen gleichzeitig von Bord.
Abb.: Laser zur Erzeugung von Femtosekunden-Signalen (Bild: T. Näser)
Die Photoemission von Elektronen ist einer der schnellsten Prozesse in der Natur. Bisher fehlten jedoch die geeigneten Beobachtungsmethoden, um den genauen Ablauf in Festkörpern zu beobachten. Inzwischen können Forscher extrem kurzwellige Laserpulse mit einer Dauer von weniger als einer Femtosekunde für ihre Untersuchungen nutzen. Mit solchen am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) entwickelten Quellen ist es möglich, an einzelnen Atomen zu messen, wann die Elektronen aus ihren verschiedenen Schalen (Orbitalen) freigesetzt werden. Dabei lassen sich Zeitunterschiede von wenigen Attosekunden, also Trillionstel Sekunden, beobachten.
In ihrer aktuellen Arbeit führten die Wissenschaftler der TUM, des Munich-Centre for Advanced Photonics und des MPQ Messungen an einem Festkörper, dem Metall Magnesium, durch. Neben der primären Photoemissionsdynamik ist hier auch der zeitliche Ablauf des Transports der Elektronen von ihrem Entstehungsort zur Oberfläche und schließlich zum Detektor maßgebend. Stefan Neppl (MPQ) und seine Forscherkollegen konnten nun erstmals die Gesamtheit dieser Prozesse mit der beindruckenden Präzision von 20 Attosekunden untersuchen. Das ist nur ungefähr die Hälfte der Zeitspanne, die ein Photoelektron zum Durchqueren einer einzigen Atomlage im Festkörper benötigt.
Das überraschende Resultat: Photoelektronen aus stark gebundenen inneren Schalen, die individuellen Atomen angehören, verlassen den Festkörper zur gleichen Zeit wie solche aus äußeren Schalen, die man sich räumlich über viele Atome ‚verschmiert’ vorstellen kann und man daher delokalisiert nennt. „Unser Ergebnis widerspricht früheren Theorien, die auf der Grundlage von Messungen an Wolframproben aufgestellt wurden“, erklärt Reinhard Kienberger von der TUM. „Demnach müssten die delokalisierten Elektronen immer vor den Innerschalenelektronen beobachtet werden, was wir hier klar widerlegen konnten. Das Gebiet bleibt also eine Herausforderung – insbesondere ist eine grundlegende theoretische Beschreibung der Phänomene gefragt.“
TUM / DE
