Cientistas alemães revelam o que até Einstein não sabia

Equipe de pesquisadores determina a duração absoluta do efeito fotoelétrico pela primeira vez

Ele fornece a base para a energia solar e as comunicações globais: o efeito fotoelétrico. Albert Einstein descreveu isso há mais de um século. Pela primeira vez, cientistas da Universidade Técnica de Munique (TUM), o Instituto Max-Planck de Óptica Quântica (MPQ) e o TU Wien mediram agora a duração absoluta da absorção de luz e do fotoelétron resultante que é liberado. de um corpo sólido.

Quando um corpo sólido é irradiado com raios X, os elétrons se separam dele e se movem em direção à superfície. Mas quanto tempo isso leva? Esta questão foi investigada pela equipe de pesquisa internacional liderada pelo Prof. Reinhard Kienberger da cadeira de Laser e Física de Raios-X na TUM. Isso ocorre porque, no passado, apenas a direção e a energia dos elétrons podiam ser determinadas. Anteriormente, o caminho dos elétrons, e. através de um cristal, não pôde ser observado devido às suas dimensões microscópicas e à duração extremamente curta do processo.

Átomos de iodo usados como cronômetro

No entanto, a equipe internacional desenvolveu um novo método de medição que agora permite determinar o tempo entre a absorção de um fóton de raios X e a emissão de um elétron. Para este propósito, os físicos “colaram” átomos individuais de iodo em um cristal de tungstênio e o expuseram a flashes de raios-X que desencadearam o efeito fotoelétrico. Como os átomos de iodo reagem extremamente rapidamente aos raios X incidentes, eles servem como cronômetros de luz e elétrons.

A fim de aumentar a precisão da medição, esses cronômetros foram então calibrados em uma experiência adicional com uma única referência absoluta recentemente desenvolvida (ver segunda publicação abaixo). “Isso permite que a emissão dos fotoelétrons de um cristal seja determinada com uma precisão de alguns attossegundos”, diz Reinhard Kienberger.

Um attosegundo é um bilionésimo de um bilionésimo de segundo (um fator de 10^-18, ou 1/1 000 000 000 000 000 000). A medição mostra que os fotoelétrons do cristal de tungstênio podem ser gerados em cerca de 40 attosegundos – cerca de duas vezes mais rápido do que o esperado. Isso se deve ao fato de que a luz de certas cores interagia principalmente com os átomos no nível mais alto do cristal de tungstênio.

Outro efeito interessante também foi observado durante o experimento: elétrons de átomos na superfície de um cristal são liberados ainda mais rápido. Ao serem irradiados com raios-X, eles imediatamente liberaram elétrons sem um atraso mensurável. Isso poderia ser interessante para a fabricação de fotocátodos particularmente rápidos para uma aplicação em um laser de elétrons livres, concluíram os pesquisadores da TUM, pois agora eles sabem como acelerar ou manipular a conversão de elétrons de fótons.

Além disso, o novo método também pode ser usado para examinar o comportamento de moléculas complicadas em superfícies – uma abordagem promissora de, e. desenvolver novas células solares inovadoras. Com o conhecimento desses processos fotoquímicos até então desconhecidos, as aplicações técnicas agora podem ser otimizadas ainda mais.

Com informações da TUM  (Universidade Técnica de Monique) e colaboração do Prof. Dr. Reinhard Kienberger (reinhard.kienberger@tum.de)

Publicações de 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 09/2018.
DOI:

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, 7. November 2016. DOI: 10.1038/nphys3941