慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學(xué)（LMU）和馬克斯-普朗克量子光學(xué)研究所（MPQ）的物理學(xué)家使用超短激光脈沖來(lái)探測(cè)鎢晶體中光電子發(fā)射的動(dòng)態(tài)。幾乎一個(gè)世紀(jì)前，阿爾伯特·愛因斯坦因其對(duì)光電效應(yīng)的解釋而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。愛因斯坦的理論發(fā)表于1905年，其中包含了光是由稱為光子的粒子組成的觀點(diǎn)。

當(dāng)光照射到物質(zhì)上時(shí)，樣品中的電子對(duì)輸入的能量作出反應(yīng)，這種相互作用產(chǎn)生了所謂的光電效應(yīng)。光量子（光子）被材料吸收并激發(fā)束縛電子。根據(jù)光源的波長(zhǎng)，這可能會(huì)導(dǎo)致電子的射出。相關(guān)材料的電子帶結(jié)構(gòu)對(duì)光發(fā)射的時(shí)間尺度有很大影響。

位于慕尼黑路德維�！ゑR克西米利安大學(xué)（LMU）和馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所（MPQ）的物理學(xué)家們現(xiàn)在對(duì)光發(fā)射現(xiàn)象進(jìn)行了仔細(xì)的研究。他們測(cè)量了鎢的帶狀結(jié)構(gòu)對(duì)光電子發(fā)射動(dòng)態(tài)的影響，并對(duì)其觀察結(jié)果進(jìn)行了理論解釋。 

由于阿托秒技術(shù)的發(fā)展和不斷完善，現(xiàn)在這成為可能。一個(gè) "阿托秒"也就是十億分之一秒。重現(xiàn)性地產(chǎn)生持續(xù)幾百阿托秒的激光脈沖序列的能力使研究人員能夠通過(guò)定期"凍結(jié)活動(dòng)"來(lái)跟蹤光發(fā)射的過(guò)程--類似于頻閃儀，但具有更好的時(shí)間分辨率。

在一系列的光電子光譜實(shí)驗(yàn)中，研究小組使用極紫外光的阿秒脈沖來(lái)探測(cè)鎢晶體的光發(fā)射動(dòng)態(tài)。每個(gè)脈沖包含幾百個(gè)X射線光子，每個(gè)光子的能量足以使一個(gè)光電子移位。在安裝在晶體前面的探測(cè)器的幫助下，研究小組能夠從飛行時(shí)間和發(fā)射角度的角度來(lái)描述噴出的電子。

結(jié)果顯示，與進(jìn)入的光子相互作用的電子需要一點(diǎn)時(shí)間來(lái)對(duì)這種相遇作出反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)是通過(guò)采用一種新的方法來(lái)產(chǎn)生阿秒脈沖而實(shí)現(xiàn)的。由于引入了一個(gè)增強(qiáng)系數(shù)為35的無(wú)源腔體諧振器，新裝置現(xiàn)在可以以每秒1840萬(wàn)次的速度產(chǎn)生阿秒脈沖，比以前類似系統(tǒng)中常見的脈沖高出大約1000倍。由于脈沖重復(fù)率如此之高，每個(gè)脈沖只有很少的光電子就足以提供高的平均流量。

"由于帶負(fù)電的光電子相互排斥，它們的動(dòng)能會(huì)發(fā)生快速變化。為了描述它們的動(dòng)力學(xué)特征，將它們分布在盡可能多的阿托秒脈沖中是很重要的，"聯(lián)合第一作者Tobias Saule博士解釋道。脈沖速率的增加意味著粒子幾乎沒有機(jī)會(huì)相互作用，因?yàn)樗鼈冊(cè)跁r(shí)間和空間上分布得很好，所以最大的能量分辨率在很大程度上得到了保留。通過(guò)這種方式，研究小組能夠表明，就光發(fā)射的動(dòng)力學(xué)而言，價(jià)帶（即晶體中原子的最外層軌道）中相鄰能量狀態(tài)的電子，其角動(dòng)量不同，對(duì)進(jìn)入的光子做出反應(yīng)的時(shí)間也有幾十阿托秒的差異。

值得注意的是，晶體內(nèi)的原子排列本身對(duì)光脈沖的到來(lái)和光電子的射出之間的延遲有可測(cè)量的影響。"晶體是由許多原子組成的，它們的原子核都帶正電。每個(gè)原子核都是電動(dòng)勢(shì)的來(lái)源，它吸引著帶負(fù)電的電子--就像一個(gè)圓孔作為彈珠的電位井一樣，"Stephan Heinrich博士說(shuō)，他也是該報(bào)告的共同第一作者。"當(dāng)一個(gè)電子從一個(gè)晶體中移出時(shí)，所發(fā)生的事情有點(diǎn)像彈珠在一個(gè)有凹陷的桌子上的進(jìn)展。"

這些凹陷代表了晶體中各個(gè)原子的位置，而且它們是有規(guī)律的。例如，大理石的軌跡直接受到它們存在的影響，而且它與在光滑表面上觀察到的不同。"現(xiàn)在已經(jīng)證明了晶體內(nèi)的這種周期性電位是如何影響光發(fā)射的時(shí)間行為的--而且我們可以從理論上解釋它，"Stephan Heinrich解釋說(shuō)。觀察到的延遲可以歸因于電子從晶體內(nèi)部向表面?zhèn)鬏數(shù)膹?fù)雜性質(zhì)，也可以歸因于晶體內(nèi)部和表面的相互作用。