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16. October 2018

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Der bestimmbare Sprung der Elektronen

Der bestimmbare Sprung der Elektronen© TU Wien

Bis dato war die Zeiteinheit eines Quantensprungs unbekannt. Forschern der TU-Wien ist es nun gelungen, die exakte Dauer dieses berühmten photoelektronischen Effekts zu messen und eine Veröffentlichung im international renommierten Wissenschafts-Journal „Nature“ zu erreichen.

Auch historisch gesehen war es eines der entscheidenden Experimente in der Quantenphysik – der Moment, wenn Licht auf bestimmte Materialien fällt und sodann Elektronen aus der Oberfläche herausgelöst werden. Albert Einstein konnte dieses Phänomen 1905 erstmals erklären, er sprach von „Lichtquanten“, den kleinsten Einheiten des Lichts, die wir heute Photonen nennen.
Das Elektron absorbiert dabei in winzigen Bruchteilen von Sekundenbruchteilen ein Photon und „springt“ dabei in einen anderen Zustand, in dem es die Oberfläche des Materials verlassen kann. Dieser sogenannte photoelektrische Effekt läuft jedoch so schnell ab, dass man ihn bisher meist als instantan betrachtete, eine plötzliche Zustandsänderung, von einem Augenblick zum nächsten.
Neue Messmethoden sind nun allerdings so präzise, dass es aktuell möglich wurde, den Ablauf eines solchen Prozesses zu beobachten und seine Dauer genau zu vermessen. Ein Team der TU Wien ermittelte gemeinsam mit Forschungsgruppen aus Garching, München und Berlin die Dauer der Quantensprünge von Elektronen einer Wolfram-Oberfläche. Veröffentlicht wurden Die Ergebnisse wurden nun auch im wissenschaftlich prominenten Fachjournal „Nature“ veröffentlicht.

Attosekunden oder Milliardstel einer Milliardstelsekunde
Der photoelektrische Effekt spielt in vielen technischen Bereichen eine relevante Rolle, etwa in Solarzellen oder bei der Umwandlung von Daten aus dem Glasfaserkabel in elektrische Signale. Er ereignet sich auf eine Zeitskala im Attosekundenbereich, das sind Milliardstel einer Milliardstelsekunde.
„Mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse gelang es in den letzten Jahren, einen Einblick in den zeitlichen Ablauf solcher Effekte zu bekommen“, erklärt Joachim Burgdörfer vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Wir konnten etwa gemeinsam mit unseren Kollegen aus Deutschland den Zeitabstand zwischen verschiedenen Quantensprüngen bestimmen und zeigen, dass unterschiedliche Quantensprünge unterschiedlich lange dauern.“
Allerdings konnte man bisher nur Zeitdifferenzen, nicht aber die absolute Zeitdauer ermitteln. Es ist sehr schwer eine „Uhr“ zu finden, die exakt zu Beginn des Quantensprungs zu ticken beginnt. Genau das ist nun durch die Kombination von mehreren Experimenten, Computersimulationen und theoretischen Berechnungen möglich geworden.

Drei „selbst gebaute“ atomare Uhren
Um eine absolute, fest geeichte Vergleichsskala zu haben, wurden zunächst Elektronen untersucht, die mit Hilfe von Lasern aus Helium-Atomen herausgerissen werden. „Durch die einfache Bauweise des Helium-Atoms kann hier der zeitliche Ablauf der Photoemission exakt berechnet werden. Für kompliziertere Objekte wie Metalloberflächen, wäre das selbst mit den besten Supercomputern der Welt nicht möglich“, erklärt Christoph Lemell.
Die Helium-Atome verwendete man daraufhin als Referenz-Uhr, um in einem zweiten Experiment die Photoemission von Helium und Iod zu vergleichen und so auch die „Iod-Uhr“ zu eichen. Im dritten und letzten Schritt konnte man schließlich die Iod-Atome verwenden, um den tatsächlich gesuchten Effekt zu studieren – nämlich die Photoemission von Elektronen aus einer Wolfram-Oberfläche.
Man brachte die Iod-Atome auf Wolfram auf und beschoss die Oberfläche mit ultrakurzen Laserpulsen. Die Iod-Atome dienten dabei als Referenz mit der man die Photoemission aus der Wolfram-Oberfläche messen konnte.
„Bei Wolfram lässt sich die Dauer dieses Vorgangs besonders gut untersuchen, weil sich dort die Grenzfläche des Materials besonders genau definiert lässt“, so Florian Libisch. „Die Wolfram-Oberfläche ist eine ausgezeichnete Ziellinie für die Elektronen-Zeitmessung.

Bisher unvorstellbare Einblicke
Die Dauer des Photoemissions-Prozesses hängt vom Anfangszustand der Elektronen ab. Sie reichen von 100 Attosekunden für Elektronen aus den inneren Schalen der Wolfram-Atome bis zu 45 Attosekunden für Leitungselektronen, die im Mittel die Ziellinie schneller passieren. Die Messungen wurden am Max Planck Institut für Quantenoptik in Garching (D) durchgeführt. Florian Libisch, Christoph Lemell und Joachim Burgdörfer von der TU-Wien waren für die theoretischen Arbeiten und die Computersimulationen zuständig.
Das Ziel des Forschungsprojekts liegt allerdings nicht alleine im Vermessen der Dauer eines Quanteneffekts: „Es ist ein spannendes Forschungsgebiet mit vielen neuen Einblicke – in die Oberflächenphysik, aber auch in Elektronen-Transportvorgänge im Inneren von Materialien“, unterstreicht TU-Forscher Joachim Burgdörfer. „Wir können wichtige physikalische Vorgänge mit einer Genauigkeit studieren, die vor einigen Jahren noch unvorstellbar gewesen wäre.“

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red/mc, Economy Ausgabe Webartikel, 01.10.2018