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Dynamik des Photoeffekts : Ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde

Ein Laserpuls löst Elektronen aus einer Wolfram-Oberfläche und aus auf der Oberfläche befindlichen Jodatomen heraus. Bild: TU Wien

Albert Einstein begründete mit seiner Interpretation des photoelektrischen Effekts die Quantenmechanik und bekam dafür den Nobelpreis. Nun wurde ermittelt, wie schnell der Effekt abläuft.

          3 Min.

          Albert Einstein wurde im Jahr 1921 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet; allerdings nicht für die theoretische Revolution, die er mit seiner Relativitätstheorie angestoßen hatte, sondern für eine frühere, nicht minder revolutionäre Erkenntnis, die er 1905 in einem Artikel beschrieben hatte. In diesem Artikel bricht er mit der durch die Maxwellsche Lichttheorie geprägten Vorstellung, dass die Energie des Lichts kontinuierlich im Raum verteilt sei. Stattdessen setze sich die Energie eines Lichtstrahls aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten zusammen, die nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können.

          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Die experimentelle Grundlage für diese bahnbrechende Behauptung war der „photoelektrische Effekt“ – die Beobachtung, dass Elektronen durch die Bestrahlung mit Licht aus einer Metalloberfläche herausgelöst werden können, allerdings nur, sofern das Licht eine minimale Frequenz und damit die für die Herauslösung der Elektronen minimal benötigte Energie besitzt. Dass die Energie des Lichts in „Paketen“ auftritt, die seiner Frequenz proportional ist, hatte Max Planck schon Jahre vorher postuliert – freilich ohne diese „Quantelung“ als echte Eigenschaft der Lichtwellen zu interpretieren.

          Die Wissenschaftler entwickelten für Ihre Zeitmessung eine neue Methode, mit der sie die Zeit zwischen der Emission eines Elektrons und der Detektion eines Röntgenphotons bestimmen können.
          Die Wissenschaftler entwickelten für Ihre Zeitmessung eine neue Methode, mit der sie die Zeit zwischen der Emission eines Elektrons und der Detektion eines Röntgenphotons bestimmen können. : Bild: A. Heddergott/ TUM

          Das Experiment, das sich als wegweisend für die Quantentheorie erweisen sollte, gehört heute zum Kanon derjenigen physikalischen Experimente, die jeder Physikstudent einmal selbst durchgeführt haben sollte. Eine Frage blieb aber bislang offen: Wie lange dauert dieser Prozess, im Zuge dessen ein Elektron durch ein Photon aus einem Festkörper herausgelöst wird? Für die Beantwortung dieser Frage sind Messmethoden auf der Skala von Attosekunden nötig (eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde): Extrem kurze Lichtpulse müssen also erzeugt werden, um der Dynamik des photoelektrischen Effekts auf die Spur zu kommen.

          Zwei Lichtpulse zur relativen Zeitmessung

          Die Methode, die hierfür genutzt wird, ist als Streak-Kamera bekannt. Zwei Lichtpulse kommen hierbei zum Einsatz: Ein erster attosekundenlanger Puls im extremen ultravioletten Wellenlängenbereich führt zur Auslösung von Elektronen aus dem untersuchten Material. Ein zweiter Lichtpuls dient dann zur Beschleunigung der befreiten Elektronen, deren Energie schließlich gemessen wird. Der zweite Puls kodiert die Ankunftszeit der Photoelektronen, indem er auf spezifische Weise ihren Impuls verändert. Die Energiemessung erlaubt daraufhin entweder die Rekonstruktion der zeitlichen Entwicklung des zweiten Pulses oder den Zeitpunkt der Herauslösung der Elektronen – allerdings nicht beides gleichzeitig. Mit dieser Methode können daher nur die relative Zeitdauer gemessen werden, beispielsweise der Unterschied in der Dauer der Photoemission von Elektronen aus unterschiedlichen Energieniveaus.

          Nutzung von „Chronoskop-Atomen“

          Nun ist es erstmalig deutschen und österreichischen Wissenschaftlern um Michael Ossiander von der TU München gelungen, die absolute Dauer des photoelektrischen Effekts zu ermitteln. Wie die Forscher in der Zeitschrift „Nature“ berichten, schafften sie dies durch den Einsatz von „Chronoskop-Atomen“, die einen absoluten Bezugspunkt für die Zeitmessung liefern können. Genauer gesagt folgten sie einem zweistufigen Vorgehen: Als Erstes brachten sie Jod-Atome auf einer Wolfram-Oberfläche auf und bestrahlten die Probe dann mit einem Attosekunden-Puls ultravioletten Lichts. Dieser Puls löste Elektronen sowohl aus der Wolfram-Oberfläche als auch aus den Jod-Atomen heraus. Der Unterschied der Dauer beider Emissionsprozesse konnte daraufhin gemessen werden.

          In einem zweiten Schritt wandten die Wissenschaftler den gleichen Puls auf eine Gasmischung aus Jod- und Helium-Atomen an. Auch hier bestimmten sie den Unterschied der Dauer der Emissionsprozesse beider Atome. Aus diesem zweiten Experiment konnten sie dann die absolute Dauer der Photoemission von Jod-Atomen bestimmen, da die absolute Dauer der Photoemission bei Helium-Atomen modelliert werden kann und somit bekannt ist. Die Jod-Atome können damit als absolute Zeitreferenz die Unbestimmtheit der Messung des photoelektrischen Effekts der Wolfram-Oberfläche aufheben. Die Wissenschaftler erhielten so einen Wert für die Verzögerung des Elektronenaustritts aus der Wolfram-Obefläche von 103 Attosekunden. Die Methode kann nun auch auf andere Materialien angewendet werden – nicht nur um deren innere Struktur und Dynamik besser zu verstehen. Eine mögliche Anwendung könnte außerdem die Entwicklung ultraschneller elektronischer Schalter sein.

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