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Photoelektrischer Effekt: So lange dauert ein Quantensprung

Wenn Elektronen Lichtteilchen absorbieren, können sie sich aus ihren Bindungen lösen. Nun haben Wissenschaftler erstmals die Dauer dieses photoelektrischen Effekts ermittelt.
Ein Laserpuls trifft eine Wolfram-Oberfäche, auf der Iodatome aufgebracht sind

Trifft Licht auf bestimmte Materialen wie beispielsweise Metalle, werden Elektronen aus ihrer Oberfläche herausgelöst. Denn Elektronen absorbieren die Photonen und »springen« dadurch auf ein höheres Energieniveau – ein Zustand, in dem sie ihre Bindungen verlassen können. Wissenschaftler bezeichnen dieses Phänomen, das bei vielen technischen Anwendungen wie Solarzellen oder der Datenübertragung per Glasfaserkabel von Bedeutung ist, als photoelektrischen Effekt. Wie schnell dieser Prozess in Wolfram vonstattengeht, hat nun ein Team um Marcus Ossiander von der Technischen Universität München und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching erstmals genau vermessen. Ihre Ergebnisse publizierten die Wissenschaftler im Fachmagazin »Nature«.

Da die Dauer des photoelektrischen Effekts im Attosekundenbereich liegt – also im Bereich von 10−18 Sekunden –, war es bislang nicht möglich, sie in absoluter Form in komplexen Materialien zu bestimmen (eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde). Ossiander und sein Team tasteten sich deshalb über Umwege an ihr Zielmaterial Wolfram heran. Dabei bestimmten sie zunächst, wie schnell sich aus sehr simpel aufgebauten Heliumatomen Elektronen mit Hilfe von ultrakurzen Laserimpulsen lösen ließen. In einem zweiten Schritt verglichen sie die Photoemission von Helium mit der von Iod, um die Dauer des photoelektrischen Effekts bei Iod zu bestimmen. In einem letzten Experiment trugen die Forscher dann Iodatome auf eine Wolframoberfläche auf und verwendeten diese als Referenzwert. Wie viel Zeit die Elektronen im Wolfram brauchen, um sich aus dem Material zu lösen, hängt von ihrem Ursprungszustand ab. Elektronen auf den inneren Schalen benötigen 100 Attosekunden, wie die Wissenschaftler ermittelten, die Leitungselektronen auf den äußeren Schalen des Wolframatoms hingegen nur 45 Attosekunden.

39/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 39/2018

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