Forschung

Verzögerter Photoeffekt

15.06.2021 - Elektronische Struktur des Materials beeinflusst Dauer des Prozesses.

Trifft Licht auf Materie geht das an deren Elektronen nicht spurlos vorüber. Beim photo­elektrischen Effekt werden Photonen von der Materie absorbiert und dadurch die darin gebundenen Elektronen angeregt oder sogar vollständig emittiert. Wie lange dieser Prozess dauert, wird von der elek­tronischen Struktur des Materials beeinflusst, die durch die komplexe Wechselwirkung sehr vieler Elektronen miteinander entsteht. Das haben nun Physiker des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik MPQ sowie der Ludwig-Maximilians-Universität München genauer untersucht. Sie haben die Auswirkung dieser elek­tronischen Bandstruktur auf die Photoemission in einem Wolfram Kristall vermessen und theoretisch inter­pretiert.

Vor genau 100 Jahren erhielt Albert Einstein den Nobelpreis für Physik für die Erklärung des photo­elektrischen Effekts, zu dessen theo­retischer Beschreibung er Lichtquanten nutzte. Nun haben die Münchener Physiker dieses Phänomen noch einmal genauer erkundet. Denn heute erlaubt die Attosekunden­technologie mit Hilfe ultrakurzer Röntgen-Lichtpulse von der Dauer von einigen Attosekunden die Beobachtung des zeitlichen Ablaufs des photoelektrischen Effekts, ähnlich wie bei einem Stroboskop. In ihren Photoelektronen­spektroskopie-Experi­menten schickten sie Atto­sekunden-Röntgen-Lichtblitze auf den Kristall. In jedem ausge­sandten Lichtblitz befanden sich einige hundert Photonen, die jeweils ein Photo­elektron erzeugen können. Mit Detektoren außerhalb des Kristalls fingen die Physiker anschließend die Elektronen auf und ana­lysierten ihre Laufzeit und ihren Emissions­winkel.  

Im Kristall konnten die Forscher nachweisen, dass die von den Photonen getroffenen Elektronen eine kurze Zeit benötigen, bis sie auf die Interaktion reagieren. Das gelang, da die Forscher bei der Erzeugung der Attosekunden­pulse einen neuen Ansatz verfolgen: Ein Überhöhungs­resonator ermöglicht 18,4 Millionen Atto­sekunden-Röntgen­lichtblitzen pro Sekunde, was etwa ein Faktor 1000 mehr ist als bisher in vergleich­baren Systemen üblich. Dadurch werden die Photoelektronen räumlich und zeitlich voneinander getrennt. „Da Photo­elektronen sich untereinander abstoßen und so gegenseitig ihre kinetische Energie verändern, ist es wichtig, dass sie auf möglichst viele Atto­sekunden-Blitze verteilt werden“, erklärt Tobias Saule. Die Teilchen inter­agieren so kaum miteinander und die maximale Energieauflösung bleibt erhalten. Auf diese Weise konnten die Forscher zeigen, dass Elektronen aus eng benachbarten Zuständen mit verschiedenem Bahn­drehimpuls im Valenzband, also den äußeren Umlaufbahnen der Atome des Kristalls, bei der Photo­emission eine sehr kleine, aber messbare zeitliche Verzögerung von wenigen zehn Atto­sekunden aufwiesen, bis sie auf die einfallenden Photonen reagierten.

Auch der Aufbau der Materie, also die Anordnung ihrer Atome, hat Einfluss auf die Dauer der Photo­emission. „Ein Kristall ist aus vielen Atomen aufgebaut, deren Kerne positiv geladen sind. Sie bilden also ein elektrisches Potential, von dem Elektronen ange­zogen werden, ähnlich wie Murmeln in einer Delle“, erklärt Stephan Heinrich. „Wenn ein Elektron durch einen Kristall reist, ist es ein bisschen, wie wenn man eine Murmel über einen unebenen Tisch mit Dellen rollen lässt. Die Dellen sind die Positionen der einzelnen Atome im Kristall und regel­mäßig angeordnet. Die Murmel wird dadurch in ihrer Bahn beeinflusst und bewegt sich anders als auf einem flachen Tisch“, ergänzt er. „Wir konnten zeigen und erklären, wie sich so ein perio­disches Potential im Inneren eines Kristalls sich auf den zeitlichen Ablauf der Photo­emission auswirkt“, erläutert Heinrich. Die dabei beobachteten Verzögerungen sind auf den Transportweg der Elektronen vom Inneren zur Oberfläche des Festkörpers sowie auf die dabei auftretenden Streu-und Korrelations­effekte zurück­zuführen.

„Unsere Erkenntnisse eröffnen uns erstmals die Möglichkeit, die komplizierten Wechselwirkungs­prozesse von Vielelektronen­systemen in Festkörpern auf einer Atto­sekunden-Zeitskala experi­mentell zu untersuchen und theoretisch zu verstehen“, ergänzt Ulf Kleineberg, der Leiter des Projekts. In Zukunft könnten diese Erkenntnisse dazu beitragen, neuartige Materialien mit optimierten elek­tronischen Eigen­schaften und optimierter Licht-Materie Wechselwirkung zu entwickeln, wie sie zum Beispiel für effizientere Photovoltaik­zellen, für nanooptische Bauelemente zur ultra­schnellen Signal­verarbeitung, sowie für Nanosysteme in der Biomedizin benötigt werden.

MPQ / JOL

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