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探測鎢晶體中光電子發(fā)射的動態(tài)。幾乎一個世紀(jì)前，阿爾伯特·愛因斯坦因其對光電效應(yīng)的解釋而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。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。

當(dāng)光照射到物質(zhì)上時，樣品中的電子對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，這可能會導(dǎo)致電子的射出。相關(guān)材料的電子帶結(jié)構(gòu)對光發(fā)射的時間尺度有很大影響。

位于慕尼黑路德維希·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)家們現(xiàn)在對光發(fā)射現(xiàn)象進(jìn)行了仔細(xì)的研究。他們測量了鎢的帶狀結(jié)構(gòu)對光電子發(fā)射動態(tài)的影響，并對其觀察結(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 "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定期"凍結(jié)活動"來跟蹤光發(fā)射的過程--類似于頻閃儀，但具有更好的時間分辨率。

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

結(jié)果顯示，與進(jìn)入的光子相互作用的電子需要一點時間來對這種相遇作出反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)是通過采用一種新的方法來產(chǎn)生阿秒脈沖而實現(xiàn)的。由于引入了一個增強(qiáng)系數(shù)為35的無源腔體諧振器，新裝置現(xiàn)在可以以每秒1840萬次的速度產(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，它們的動能會發(fā)生快速變化。為了描述它們的動力學(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)會相互作用，因為它們在時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。通過這種方式，研究小組能夠表明，就光發(fā)射的動力學(xué)而言，價帶（即晶體中原子的最外層軌道）中相鄰能量狀態(tài)的電子，其角動量不同，對進(jìn)入的光子做出反應(yīng)的時間也有幾十阿托秒的差異。

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

這些凹陷代表了晶體中各個原子的位置，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)射的時間行為的--而且我們可以從理論上解釋它，"Stephan Heinrich解釋說。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。