Preisträger

Photoeffekt in starken Feldern

Wie metallische Nanostrukturen neuartige photoelektrische Phänomene ermöglichen.

  • Claus Ropers
  • 09 / 2013 Seite: 41

Der photoelektrische Effekt – kurz Photoeffekt – zählt zu den am besten verstandenen Wechselwirkungen von Licht mit Materie, und seine elementaren Eigenschaften werden bereits im Schulunterricht behandelt. In starken Laserfeldern beobachtet man jedoch ein hiervon drastisch abweichendes Verhalten, das allen weithin bekannten Paradigmen des herkömmlichen Photoeffekts widerspricht. Nanostrukturen bieten dabei besonders faszinierende Systeme, um derartige Prozesse zu studieren und für Anwendungen nutzbar zu machen.

Der Photoeffekt nimmt eine herausragende Rolle im Umbruch der Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein. An ihm spitzte sich, ähnlich wie bei der Schwarzkörperstrahlung, besonders deutlich der Widerspruch zwischen der Erwartung der klassischen Physik und den experimentellen Beobachtungen zu. Nach der ursprünglichen Entdeckung der damals als „Lichtelektrizität“ bezeichneten Phänomene durch Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs machte besonders Philipp Lenard quantitative Bestimmungen, die mit dem damaligen physikalischen Verständnis unvereinbar schienen. Einige Zitate aus Lenards Arbeit von 1902 zeigen dies besonders deutlich. In seinen Experimenten vermaß er die Energie der im Photoeffekt emittierten Elektronen in Abhängigkeit von der Licht­intensität. Seine Erwartung beschrieb er so: Der „vom Lichte stammende Teil der Anfangsgeschwindigkeit ... müsste innerhalb der letzten halben bez. ganzen Resonanzschwingung erworben worden sein, er müsste also mit der Lichtintensität steigen.“ Das Experiment jedoch zeigte anderes: „Es sind aber die Grössen der Anfangsgeschwindigkeiten unabhängig von der Intensität des Lichtes“. Bekanntermaßen löste erst Einstein 1905 mit seiner Quantenhypothese dieses Dilemma auf, indem er postulierte, dass die Elektronen des Festkörpers die Energie des Lichts in unteilbaren Energiequanten aufnehmen.

Heute dient der Photoeffekt routinemäßig als präzise analytische Methode der Festkörper- und Oberflächenphysik. Wir können inzwischen über zeit-, winkel- und energieaufgelöste Photoemissionsspektroskopie genaue Einblicke in die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern gewinnen. Hierbei sind die quantenmechanischen Grundlagen des Photoeffekts eine unverzichtbare Selbstverständlichkeit. ...

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