Stopky pre kvantový skok

Fyzici prvýkrát určujú absolútne trvanie Einsteinovho fotoelektrického účinku

Fotoelektrický efekt: Ak svetlo s vysokou energiou zasiahne atómy, excitačná katapultuje elektróny z ich obežných dráh. © TU Viedeň
čítať nahlas

Interakcia svetla a hmoty praskla: Vedci prvýkrát merali, ako rýchlo nastáva kvantový skok - excitácia a emisia elektrónu svetlom. Tento fotoelektrický efekt už opísal Albert Einstein, ale vždy sa považoval za príliš rýchly na to, aby bol merateľný. Kombináciou laserových impulzov a „sledovacích atómov“ sa teraz dosiahlo absolútne meranie tejto fotoemisie a trvanie kvantového skoku, ako uvádzajú vedci v publikácii „Nature“.

Je to základná interakcia svetla a hmoty: keď svetlo s vysokou energiou dopadne na atóm, jeho elektróny naň reagujú a skočia na vyššiu úroveň energie - alebo dokonca katapultujú úplne mimo obežnú dráhu. Albert Einstein opísal tento fotoelektrický efekt v roku 1905. Ako rýchlo však elektróny reagujú na dopadajúce svetlo, nebolo známe - proces sa považoval za takmer okamžitý, ale v každom prípade za nezmerne rýchly.

Ako rýchlo elektrón vyskočí?

Fyzici však teraz objavili fotoelektrický efekt - vďaka novým technológiám. V roku 2016 tím demonštroval pomocou attosekundových laserových impulzov, že elektróny reagujú oneskorene na ožiarenie svetlom. O niečo neskôr vedci urobili ďalší prielom: prvýkrát porovnali trvanie rôznych kvantových skokov elektrónov v atóme hélia. Čím dlhšie je elektrón vzrušený, tým dlhšie trvá.

Problém: Vo všetkých týchto meraniach boli fyzici doteraz schopní merať len časové rozdiely. Na absolútne trvanie kvantového skoku však doteraz chýbali vhodné „stopky“. Teraz našli Marcusa Ossiandera z Inštitútu Maxa Plancka pre kvantovú optiku v Garchinge a jeho kolegov zručnou kombináciou niekoľkých experimentov a atómov - a úspešne sa prvýkrát použili na meranie.

Súčasťou experimentálneho nastavenia na meranie fotoelektrického účinku © A. Heddergott / TUM

Volfrám, jód a hélium

Vedci začali svoj dvojkrokový proces merania s volfrámovým povrchom, na ktorý aplikovali atómy jódu. Pretože reagujú na svetlo zvlášť rýchlo, slúžili ako atómové „stopky“. Potom fyzici ožiarili povrch ultra krátkymi extrémnymi UV laserovými pulzmi, ktoré katapultovali elektróny z atómov jódu a potom z volfrámu. Vedci pomocou infračerveného meracieho lasera takzvanej attosecond pruhovej kamery dokázali porovnať relatívne trvanie kvantových skokov jódu a volfrámu. zobraziť

Ďalším krokom bola kalibrácia atómov jódu „stopky“: pomocou rovnakého laserového impulzu XUV Ossiander a jeho tím teraz ožiarili plynnú zmes atómov jódu a atómov hélia. „Atóm hélia je postavený veľmi jednoducho, takže môžete presne vypočítať načasovanie fotoemisie atómov hélia, “ vysvetľuje spoluautor Christoph Lemell z Technickej univerzity vo Viedni. „Pre zložitejšie objekty, ako sú kovové povrchy, by to nebolo možné ani u najlepších superpočítačov na svete.“

Kvantový skok za sekundu

Kombináciou týchto krokov sa vedcom podarilo kalibrovať svoje predtým relatívne merania fotoelektrického účinku jódu a volfrámu: „Dosiahli sme absolútne načasovanie týchto kvantových skokov prostredníctvom emisných oneskorení našich atómov hodín“, štát Ossiander a jeho kolegovia. „Pomocou tejto absolútnej časovej referencie môžeme teraz presne určiť, s akým oneskorením elektróny volfrámových jadier opúšťajú povrch.“

Výsledok: V závislosti od počiatočného stavu elektrónov vyžadujú na kvantový skok 45 až 100 attosekúnd. Elektróny z vnútorných puzdier atómu volfrámu trvajú dlhšie ako vonkajšie elektróny, ale svoju úlohu zohráva aj poloha atómu volfrámu v kryštáli: čím bližšie je atóm a tým aj jeho elektróny k povrchu, tým rýchlejšie opúšťajú.

Cesta k novej technológii

V tomto experimente vedci nielen zmerali trvanie fotoelektrického účinku na povrchu materiálu prvýkrát, ich absolútne údaje a atómy hodín tiež poskytujú referenciu na meranie tohto účinku na iné atómy a materiály. „Naše údaje poskytujú východiskový bod pre ďalšie skúmanie migrácie excitácie a náboja v technicky a biologicky relevantných systémoch, “ hovorí Ossiander a jeho tím.

Praktické aplikácie nových zistení sú bohaté. Fotoelektrický efekt hrá dôležitú úlohu v mnohých oblastiach - od polovodičov v diódach alebo solárnych článkoch po optický prenos údajov a supravodiče. „Ossiander a jeho kolegovia preto nielen pokročili v našom chápaní prírody novými poznatkami o dynamike fotoemisie, ale otvorili aj cesty k novým technológiám, “ píše Thomas Fennell z University of Rostock. sprievodný komentár. (Nature, 2018; doi: 10, 1038 / s41586-018-0503-6)

(Technická univerzita vo Viedni, 24.09.2018 - NPO)