Attosekunden Forscher messen Dauer des Photoeffekts

Forschern der Technischen Universität München, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Technischen Universität Wien ist es gelungen, die absolute Dauer des photoelektrischen Effekts zu bestimmen – von der Lichtaufnahme bis zum Lösen des Photoelektrons aus dem bestrahlten Festkörper.

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Technische Universität München Umwelthygiene

Bestrahlt man einen Festkörper mit Röntgenimpulsen, lösen sich Elektronen und wandern an die Oberfläche. Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts beschrieb Albert Einstein den photoelektrischen Effekt. Heute liefert dieser die Grundlage für Solarenergie und globale Kommunikation. Wie die Technische Universität München (TUM) mitteilt, konnten dabei bisher nur Richtung und Energie der Elektronen bestimmt werden. Der Weg der Elektronen hingegen – etwa durch einen Kristall – habe sich aufgrund der winzigen Dimensionen und der extrem kurzen Dauer des Prozesses bis dato nicht beobachten lassen.

Mit der vom Forscherteam um Prof. Reinhard Kienberger vom Lehrstuhl für Laser- und Röntgenphysik der TUM entwickelten Messmethode ist es nun möglich, die Zeit zwischen der Aufnahme (Absorption) eines Röntgen-Photons und dem Ausströmen (Emission) eines Elektrons zu bestimmen.

Jod-Atome fungieren als Zeitmesser

Von den Physikern wurden dazu einzelne Jod-Atome auf einen Wolframkristall geklebt. Diesen bestrahlten die Forscher anschließend mit Röntgenblitzen und starteten so den Photoeffekt. Da die Jod-Atome extrem schnell auf einfallendes Röntgenlicht reagieren, eignen sie sich als Licht- und Elektronen-Stoppuhren.

Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, wurden die Stoppuhren in einem weiteren Experiment mithilfe einer erst vor Kurzem entwickelten absoluten Referenz geeicht. „Dies ermöglicht uns, das Austreten der Photoelektronen aus einem Kristall mit einer Genauigkeit von wenigen Attosekunden zu stoppen“, berichtet Kienberger. Bei einer Attosekunde handelt es sich um das Milliardstel einer Milliardstel Sekunde.

Die Messung habe gezeigt, dass Photoelektronen aus dem Wolframkristall in rund 40 Attosekunden erzeugt werden können – und damit etwa doppelt so schnell wie von den Forschern erwartet. Das liege daran, dass mit dem Licht bestimmter Farben hauptsächlich die Atome in der obersten Schicht des Wolframkristalls wechselwirkten, so die TUM.

Elektronen aus der Oberfläche lösen sich direkt

Zusätzlich konnte ein weiterer Effekt beobachtet werden: Elektronen aus Atomen auf der Oberfläche eines Kristalls werden noch schneller gelöst. Nach der Bestrahlung mit Röntgenlicht gaben sie ohne messbare Verzögerung direkt Elektronen frei, wie die Forscher berichten. Diese Erkenntnis könnte nach Ansicht der Wissenschaftler für die Herstellung besonders schneller Photokathoden für eine Anwendung in Freie-Elektronen-Lasern nützlich sein – da man nun wisse, wie die Photon-Elektron-Umwandlung beschleunigt oder manipuliert werden könne.

Mit der neuen Methode könne außerdem das Verhalten von komplizierten Molekülen auf Oberflächen untersucht werden, so die Forscher. Dies sei ein vielversprechender Ansatz, um beispielsweise neuartige Solarzellen zu entwickeln. Mit dem Wissen über die bislang unbekannten photochemischen Prozesse könnten technische Anwendungen verbessert werden, heißt es.

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