Naukowcy z SLAC poczynili przełomowe postępy w zrozumieniu efektu fotoelektrycznego, pierwotnie opisanego przez Einsteina.
Opracowali technikę wykorzystującą attosekundowe impulsy rentgenowskie do pomiaru opóźnień emisji elektronów, ujawniając rozbieżności w istniejących teoriach, pokazując opóźnienia większe niż oczekiwano. Ich metoda zapewnia nowe narzędzie do badania interakcji elektron-elektron, które mają fundamentalne znaczenie dla wielu technologii, m.in półprzewodniki i ogniwa słoneczne.
Nowe spostrzeżenia dotyczące efektu fotoelektrycznego
Zespół naukowców z Narodowego Laboratorium Akceleratorów SLAC Departamentu Energii odkrył nowe informacje na temat efektu fotoelektrycznego, zjawiska opisanego po raz pierwszy przez Einsteina ponad sto lat temu. Ich metoda zapewnia nowe narzędzie do badania interakcji elektron-elektron, które mają fundamentalne znaczenie dla wielu technologii, w tym półprzewodników i ogniw słonecznych. Wyniki opublikowano 21 sierpnia w czasopiśmie Natura.
Kiedy atom lub cząsteczka absorbuje a foton światła, może emitować elektron w procesie znanym jako efekt fotoelektryczny. Opis Einsteina efektu fotoelektrycznego, znanego również jako fotojonizacja, położył teoretyczne podstawy mechaniki kwantowej. Jednakże natychmiastowy charakter tego efektu był przedmiotem intensywnych badań i debat. Niedawne postępy w nauce o attosekundach dostarczyły narzędzi niezbędnych do rozwiązania problemu ultraszybkich opóźnień czasowych związanych z fotojonizacją.
„Einstein zdobył Nagrodę Nobla za opisanie efektu fotoelektrycznego, ale sto lat później dopiero zaczęliśmy naprawdę rozumieć leżącą u jego podstaw dynamikę” – powiedział główny autor i naukowiec z SLAC Taran Driver. „Nasza praca stanowi znaczący krok naprzód, ponieważ mierzymy te opóźnienia w domenie rentgenowskiej, co jest wyczynem, którego nie udało się wcześniej osiągnąć”.
Przełom w pomiarze opóźnień fotoemisji
Zespół wykorzystał attosekundowy impuls rentgenowski z SLAC Źródło światła spójnego Linac (LCLS), czyli zaledwie miliardowe części miliardowej sekundy, aby zjonizować elektrony na poziomie rdzenia. Proces ten wyrzucił elektrony z badanych cząsteczek. Następnie wykorzystali oddzielny impuls laserowy, który wyrzucał elektrony w nieco innym kierunku w zależności od czasu ich emisji, aby zmierzyć tak zwane „opóźnienie fotoemisji”.
Opóźnienie fotoemisji można traktować jako czas pomiędzy wchłonięciem fotonu przez cząsteczkę a emisją elektronu. Opóźnienia te, sięgające 700 attosekund, były znacznie większe niż wcześniej przewidywano, co stanowiło wyzwanie dla istniejących modeli teoretycznych i otwierało nowe możliwości zrozumienia zachowania elektronów. Naukowcy odkryli również, że interakcje między elektronami odegrały ważną rolę w tym opóźnieniu.
„Poprzez pomiar różnicy kątowej w kierunku wyrzucanych elektronów mogliśmy z dużą precyzją określić opóźnienie czasowe” – powiedział współautor i naukowiec z SLAC James Cryan. „Możliwość pomiaru i interpretacji tych opóźnień pomaga naukowcom lepiej analizować wyniki eksperymentów, szczególnie w takich dziedzinach, jak krystalografia białek i obrazowanie medyczne, gdzie kluczowe znaczenie mają interakcje promieniowania rentgenowskiego z materią”.
Odkrywanie dynamiki elektronów
Badanie jest jednym z pierwszych z serii planowanych eksperymentów mających na celu poznanie głębi dynamiki elektronów w różnych układach molekularnych. Inne grupy badawcze zaczęły już wykorzystywać opracowaną technikę do badania większych i bardziej złożonych cząsteczek, odkrywając nowe aspekty zachowania elektronów i struktury molekularnej.
„To rozwijająca się dziedzina” – powiedział współautor Agostino Marinelli. „Elastyczność LCLS pozwala nam badać szeroki zakres energii i układów molekularnych, co czyni go potężnym narzędziem do wykonywania tego typu pomiarów. To dopiero początek tego, co możemy osiągnąć w tak ekstremalnych ramach czasowych.”
Odniesienie: „Attosekundowe opóźnienia w rentgenowskiej jonizacji molekularnej” autorstwa Taran Driver, Miles Mountney, Jun Wang, Lisa Ortmann, Andre Al-Haddad, Nora Berrah, Christoph Bostedt, Elio G. Champenois, Louis F. DiMauro, Joseph Duris, Douglas Garratt, James M. Glownia, Zhaoheng Guo, Daniel Haxton, Erik Isele, Igor Ivanov, Jiabao Ji, Andrei Kamalov, Siqi Li, Ming-Fu Lin, Jon P. Marangos, Razib Obaid, Jordan T. O’Neal, Philipp Rosenberger , Niranjan H. Shivaram, Anna L. Wang, Peter Walter, Thomas JA Wolf, Hans Jakob Wörner, Zhen Zhang, Philip H. Bucksbaum, Matthias F. Kling, Alexandra S. Landsman, Robert R. Lucchese, Agapi Emmanouilidou, Agostino Marinelli i James P. Cryan, 21 sierpnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07771-9
LCLS jest narzędziem użytkownika DOE Office of Science.
