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Mittwoch, 16.04.2014

Elektronen surfen auf der Lichtwelle

Infrarote Laserpulse schlagen Elektronen aus Goldspitzen mit wenigen Nanometern Größe heraus

Aus einer mit Licht bestrahlten Metalloberfläche treten Elektronen aus – dieses Phänomen ist auch als Photoelektrischer Effekt bekannt. In neuen Experimenten haben Göttinger Wissenschaftler nun gezeigt, dass ultrakurze infrarote Laserpulse Elektronen aus Goldspitzen mit wenigen Nanometern Größe herausschlagen - und zwar innerhalb weniger Millionstel einer Milliardstel Sekunde.
Austreten und Beschleunigen von Elektronen in stark gebündelten Laserpulsen

Austreten und Beschleunigen von Elektronen in stark gebündelten Laserpulsen

Nach der Schulbuchbeschreibung des Photoeffekts – für die Albert Einstein den Nobelpreis erhielt – dürften dabei jedoch gar keine Elektronen emittiert werden: die Energie eines Infrarot-Photons reicht dafür eigentlich nicht aus. Die Forscher konnten jetzt jedoch im Wissenschaftsmagazin „Nature“ nachweisen, dass sich die Elektronen bei sehr starken Laserfeldern und in Nanostrukturen völlig neuartig verhalten.

Elektronen nehmen Energie von über 1.000 Photonen auf


Bei ihren Experimenten beobachteten die Wissenschaftler vom Courant Forschungszentrum „Nanospektroskopie und Röntgenbildgebung“ der Universität Göttingen ein völlig anderes „Benehmen“ als beim Photoelektrischen Effekt: „Normalerweise absorbiert ein Elektron genau ein Photon. Wir haben aber Elektronen gefunden, die – von der Lichtwelle getrieben – die Energie von über 1.000 Photonen aufgenommen haben“, erklärt Georg Herink.

In den starken infraroten Lichtfeldern an der Spitze der Nanostruktur wächst die Energie der Elektronen mit der Lichtintensität und der Wellenlänge – zwei Abhängigkeiten, die in direktem Gegensatz zum üblichen Photoeffekt stehen, so die Forscher. Die Energie der Elektronen wächst dabei auf eine Weise, die stark von der Form der Nanostruktur abhängt.

Elektronenbeschleunigung

Elektronenbeschleunigung

Neu beobachtete Elektronendynamik


Wie der Leiter der Studie, Professor Claus Ropers, erläutert, schlägt die neu beobachtete Elektronendynamik ein weiteres Kapitel in der hundertjährigen Physik des Photoeffekts auf. „Neben seiner Bedeutung für ein fundamentales Verständnis des Photoeffekts haben die Ergebnisse auch eine praktische Bedeutung.“

Sie zeigten den Forschern neue Wege für die Realisierung ultraschneller Elektronenmikroskope auf, um mit kontrollierten Elektronenpulsen atomare Vorgänge zeitlich aufzulösen und die Schnappschüsse zu bewegten Bildern verbinden zu können. (Nature March, 2012; Doi:10.1038/nature10878.)

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