Kamera filmt photoelektrischen Effekt

Einblick in fundamentale Wechselwirkung: Forscher haben erstmals die Bewegung von Elektronen nach Anregung durch Licht gefilmt. Dadurch konnten sie erstmals grundlegende Vorgänge beim photoelektrischen Effekt direkt beobachten. Ihre spezielle Kamera enthüllte, dass innerhalb von nur 50 Femtosekunden drei verschiedene Phasen der Interaktion ablaufen. Diese Erkenntnisse könnten künftig dazu beitragen, optoelektronische Bauteile zu optimieren.

Es ist eine fundamentale Wechselwirkung von Licht und Materie: Wenn energiereiches Licht auf ein Atom fällt, werden seine Elektronen vorübergehend angeregt, bis sie diese Energie wieder abgeben. Schon der Physiker Albert Einstein beschrieb im Jahr 1905 diesen photoelektrischen Effekt.

Doch wie sich die Elektronen während dieses nur Sekundenbruchteile dauernden Prozesses verhalten, haben Forscher erst in Teilen geklärt – dank modernster Lasertechnik. So haben Experimente bereits enthüllt, wie lange der photoelektrische Effekt anhält und auch, dass die Elektronen dabei mit einer winzigen Verzögerung auf den Lichteinfall reagieren.

Laserpulse enthüllen Elektronenverhalten

Wie sich aber die Elektronen während der Phase der Anregung verhalten, haben nun erstmals Forscher um Michael Bauer von der Universität Kiel entschlüsselt. Für ihr Experiment bestrahlten die Forscher eine Graphitprobe mit einem intensiven Laserpuls von nur sieben Femtosekunden Dauer. Die Photonen dieses Laserpulses regten die Elektronen der Kohlenstoffatome im Graphit an.

Was dann geschah, filmten die Wissenschaftler mithilfe einer eigens entwickelten Kamera, einer zeitlich extrem hochaufgelösten Version der Photoemission-Spektroskopie. Dabei löst ein zweiter, zeitverzögerter Lichtimpuls einen Teil der Elektronen ganz aus dem Graphit heraus. Deren detaillierte Analyse lässt Rückschlüsse auf das Elektronenverhalten nach der Lichtanregung zu. Letztlich filmt diese Kamera so in Zeitschritten von 13 Femtosekunden, wie sich die eingestrahlte Lichtenergie über das Elektronensystem verteilt.

Drei verschiedene Phasen in nur 50 Femtosekunden

„Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass hier überraschend viel passiert“, sagt Bauer. Denn wie die Aufnahmen enthüllten, reagieren die Elektronen auf die Lichtanregung in drei Phasen. In der ersten Phase bringt der Energieeinstrom der auftreffenden Laserphotonen die Elektronen aus ihrem thermischen Gleichgewicht. Die bestrahlten Elektronen nehmen die Energie der Photonen auf und wandeln sie in elektrische Energie um. Dann folgt eine zweite Phase, in der diese Energie durch Wechselwirkungen von Elektronen untereinander, aber auch Streuungsprozesse weitergegeben wird.

Diese Film-Stills zeigen, wie sich die Energieverteilung in einer Graphitprobe nach Anregung verändert. © Phys. Rev. Lett

Etwa 22 Femtosekunden nach dem Beginn der Anregung beginnt dann die dritte Phase, in der die elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird – das Graphit erhitzt sich. Im Laufe dieses Prozesses pendeln sich alle Elektronen des Graphits in einem thermischen Gleichgewicht ein, das bei mehreren tausend Kelvin liegt, wie die Forscher beobachteten. Diese letzte Phase der Anregung ist nach rund 50 Femtosekunden abgeschlossen.

Damit haben die Experimente erstmals mehr Details zur fundamentalen Wechselwirkung von Licht und Materie zutage gefördert. „Durch unsere neuen technischen Möglichkeiten können diese fundamentalen, komplexen Prozesse zum ersten Mal direkt beobachtet werden“, betont Bauer. Das Wissen um diese Vorgänge bestätigt nicht nur theoretische Vorhersagen, es könnte künftig auch dabei helfen ultraschnelle, optoelektronische Bauteilen zu optimieren oder neu zu entwickeln. (Physical Review Letters, 2018; doi: 10.1103/PhysRevLett.121.256401)

Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel