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Dauer des photoelektrischen Effekts bestimmt

Geschwindigkeitskontrolle von Photoelektronen

| Autor/ Redakteur: Sabine Letz* / Christian Lüttmann

Was Einstein noch nicht wusste, fanden nun Forscher der Technischen Universität München, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Technischen Universität Wien heraus: Sie maßen erstmals die absolute Dauer des photoelektrischen Effekts von der Lichtaufnahme und dem sich dadurch lösenden Photoelektron aus einem Festkörper. Diese Erkenntnis könnte bei der Entwicklung besserer Solarzellen helfen.

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Kienbergers Team hat eine Messmethode entwickelt, die es erlaubt, die Zeit zwischen der Aufnahme eines Röntgen-Photons und dem Ausströmen eines Elektrons zu bestimmen.
Kienbergers Team hat eine Messmethode entwickelt, die es erlaubt, die Zeit zwischen der Aufnahme eines Röntgen-Photons und dem Ausströmen eines Elektrons zu bestimmen.
(Bild: A. Heddergott/ TUM)

München – Wird ein Festkörper mit Röntgenimpulsen bestrahlt, dann lösen sich Elektronen und wandern an die Oberfläche. Vor über einem Jahrhundert hat Albert Einstein diesen so genannten photoelektrischen Effekt beschrieben, der die Grundlage für Solarenergie und globale Kommunikation lieferte. Doch wie lange dauert es, bis die Photoelektronen nach dem Eintreffen des Lichtimpulses aus der Oberfläche treten? Dieser Frage ist ein internationales Forscherteam um Prof. Reinhard Kienberger vom Lehrstuhl für Laser- und Röntgenphysik an der Technischen Universität München (TUM) nachgegangen.

Bisher konnten nur Richtung und Energie der Elektronen bestimmt werden. Der Weg der Elektronen, etwa durch einen Kristall, ließ sich aufgrund der winzigen Dimensionen und der extrem kurzen Dauer des Prozesses bis dato nicht beobachten.

Wie Atome zur Stoppuhr werden

Das internationale Team hat jedoch eine neue Messmethode entwickelt, die es nun erlaubt, die Zeit zwischen der Aufnahme (Absorption) eines Röntgen-Photons und dem Ausströmen (Emission) eines Elektrons zu bestimmen. Dazu „klebten“ die Physiker einzelne Jod-Atome auf einen Wolframkristall und bestrahlten ihn mit Röntgenblitzen, die den Photoeffekt starteten. Da die Jod-Atome extrem schnell auf einfallendes Röntgenlicht reagieren, dienen sie als Licht- und Elektronen-Stoppuhren.

Um die Präzision der Messung zu erhöhen, wurden diese Photoeffekt-Stoppuhren dann in einem weiteren Experiment mithilfe einer erst kürzlich entwickelten absoluten Referenz geeicht (siehe zweite Publikation unten). „Dies ermöglicht, das Austreten der Photoelektronen aus einem Kristall mit einer Genauigkeit von wenigen Attosekunden zu stoppen“, sagt Kienberger. Zur Veranschaulichung dieser enorm kurzen Zeitdimension dient folgender Vergleich: Könnte man einen Zeitlupenfilm mit einer Aufnahmerate von einem Bild pro Attosekunde drehen, würde ein Ereignis von einer Sekunde Dauer im fertigen Film (24 Bilder pro Sekunde Abspielgeschwindigkeit,) 1,3 Milliarden Jahre lang laufen.

Die Messung zeigt, dass Photoelektronen aus dem Wolframkristall in rund 40 Attosekunden erzeugt werden können – etwa doppelt so schnell wie erwartet. Das liegt den Forschern zufolge daran, dass mit Licht bestimmter Wellenlängen hauptsächlich die Atome in der obersten Schicht des Wolframkristalls wechselwirkten.

Unmessbar schnelle Freisetzung von der Oberfläche

Ein weiterer interessanter Effekt konnte mit dem Experiment beobachtet werden: Elektronen aus Atomen auf der Oberfläche eines Kristalls werden nämlich noch schneller gelöst. Nach der Bestrahlung mit Röntgenlicht gaben sie ohne messbare Verzögerung direkt Elektronen frei. Dies könnte fürs Herstellen von besonders schnellen Photokathoden für eine Anwendung in Freie-Elektronen-Laser interessant sein, urteilen die TUM-Wissenschaftler, da sie nun wissen, wie sie die Photon-Elektron-Umwandlung beschleunigen oder manipulieren können.

Mit der neuen Methode kann außerdem das Verhalten von komplizierten Molekülen auf Oberflächen untersucht werden – ein vielversprechender Ansatz, etwa um neuartige Solarzellen zu entwickeln. Denn mit dem Wissen über die bislang unbekannten photochemischen Prozesse können technische Anwendungen viel besser optimiert werden, wie die Forscher sagen.

Originalpublikationen:

M. Ossiander, J. Riemensberger, S. Neppl, M. Mittermair, M. Schaeffer, A. Duensing, M. S. Wagner, R. Heider, M.Wurzer, M. Gerl, M. Schnitzenbaumer, J.V. Barth, F. Libisch, C. Lemell, J. Burgdoerfer, P. Feulner, R. Kienberger: Absolute Timing of the Photoelectric Effect. Nature volume 561, pages 374–377 (2018); DOI: 10.1038/s41586-018-0503-6

M. Ossiander, F. Siegrist, V. Shirvanyan, R. Pazourek, A. Sommer, T. Latka, A. Guggenmos, S. Nagele, J. Feist, J. Burgdörfer, R. Kienberger and M. Schultze: Attosecond correlation dynamics. Nature Physics volume 13, pages 280–285 (2017); DOI: 10.1038/nphys3941

* S. Letz, Technische Universität München, 85354 Freising

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