物理学者は、超短レーザーパルスを使用して光放射の動的変化を検出します

ミュンヘンのルートヴィヒマクシミリアン大学（LMU）とマックスプランク量子光学研究所（MPQ）の物理学者は、超短レーザーパルスを使用して、タングステン結晶の光電子放出のダイナミクスを調べました。 ほぼ1世紀前、アルバートアインシュタインは、光電効果の説明でノーベル物理学賞を受賞しました。 アインシュタインの理論は1905年に発表され、光は光子と呼ばれる粒子で構成されているという考えが含まれていました。

光が物質に当たると、サンプル内の電子が入力エネルギーに反応し、この相互作用がいわゆる光電効果を生み出します。光量子（光子）は材料に吸収され、結合した電子を励起します。光源の波長によっては、電子が放出される場合があります。関連材料の電子バンド構造は、発光の時間スケールに大きな影響を与えます。



ルートヴィヒマクシミリアン大学（LMU）とミュンヘンのマックスプランク量子光学研究所（MPQ）の物理学者は、現在、発光の現象を注意深く研究しています。彼らは、タングステンのバンド構造が光電子放出のダイナミクスに与える影響を測定し、その観測結果を理論的に説明しました。

Attosecondテクノロジーの開発と継続的な改善のおかげで、これが可能になりました。 「アト秒」も10億分の1秒です。数百アト秒続くレーザーパルスシーケンスを再現性よく生成する機能により、研究者は、ストロボスコープと同様ですが、より優れた時間分解能で、定期的な「凍結活動」を通じて発光プロセスを追跡できます。

一連の光電子分光実験で、研究チームは極紫外線のアト秒パルスを使用して、タングステン結晶の発光ダイナミクスを検出しました。各パルスには数百のX線光子が含まれており、各光子のエネルギーは1つの光電子を置き換えるのに十分です。研究チームは、結晶の前に取り付けられた検出器の助けを借りて、放出された電子を飛行時間と放出角度の観点から説明することができました。

結果は、入ってくる光子と相互作用する電子がこの遭遇に反応するのに時間がかかることを示しています。この発見は、アト秒パルスを生成するための新しい方法を使用することによって達成されました。エンハンスメントファクター35のパッシブキャビティ共振器の導入により、新しいデバイスは1秒あたり1840万回の速度でアト秒パルスを生成できるようになりました。これは、以前の同様のシステムで一般的に見られるパルスの約1,000倍です。パルス繰り返し率が非常に高いため、高い平均フラックスを提供するには、パルスあたり数個の光電子だけで十分です。

「負に帯電した光電子は互いに反発するため、運動エネルギーは急速に変化します。動的特性を説明するには、できるだけ多くのアト秒パルスで分布させることが重要です」と共同筆頭著者のTobiasSaule医師は説明しました。パルスレートの増加は、粒子が時間と空間に十分に分布しているため、粒子が相互作用する機会がほとんどないことを意味します。したがって、最大のエネルギー分解能が大幅に維持されます。このようにして、研究チームは、発光のダイナミクスの観点から、価電子帯（つまり、結晶内の原子の最も外側の軌道）の隣接するエネルギー状態の電子が異なる角運動量を持ち、作用することを示すことができました。反応時間にも数十原子の差があります。

結晶自体の原子の配置が、光パルスの到着と光電子の放出の間の遅延に測定可能な影響を与えることは注目に値します。 「結晶は多くの原子で構成されており、それらの原子核はすべて正に帯電しています。各原子核は起電力の源であり、大理石のポテンシャル井戸としての丸い穴のように、負に帯電した電子を引き付けます」とStephanDr。ハインリッヒは、彼が報告書の共同筆頭著者でもあると述べた。 「結晶から電子が取り除かれると、凹んだテーブルの上で大理石が進行するのと少し似ています。」

これらのくぼみは、結晶内の各原子の位置を表しており、規則的です。たとえば、ビー玉の軌道はビー玉の存在によって直接影響を受け、滑らかな表面で観察されるものとは異なります。 「結晶内のこの周期的な電位が発光の時間的挙動にどのように影響するかが実証されました。理論的に説明できます」とStephanHeinrich氏は説明します。観察された遅延は、結晶の内部から表面への電子輸送の複雑な性質に起因する可能性があり、また、結晶の内部と表面との間の相互作用に起因する可能性もあります。

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