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Bielefelder Physiker publizieren im Forschungsmagazin „Science“

Atome stoßen Elektronen aus, wenn ein Material mit Licht ausreichend hoher Frequenz bestrahlt wird. Bisher ging die Physik davon aus, dass die Bewegung dieser Photoelektronen durch die Materialeigenschaften bestimmt ist. Physiker der Universität Bielefeld zeigen in einer neuen Studie, dass es auch auf das Zusammenspiel der Elektronen im Inneren des Atoms ankommt: „Tanzende“ Elektronen umkreisen dabei den Atomkern und brauchen länger als andere Elektronen, die geradeaus herausschießen. Als weltweit ersten Forschenden gelang es den Bielefeldern, diesen Verzögerungseffekt in einem Festkörper nachzuweisen. Die Studie ist am heutigen Freitag (22.09.2017) im Wissenschaftsmagazin „Science“ erschienen. Für die Forschung haben die Experimentatoren eng mit Kollegen aus der theoretischen Physik am Donostia International Physics Center (DIPC) und der Universität des Baskenlandes (San Sebastián, Spanien) zusammengearbeitet.

Albert Einstein erhielt seinen Nobelpreis für die Erklärung des photoelektrischen Effekts: Licht überträgt Energie auf Elektronen in Form von Energiepaketen, sogenannten Lichtquanten oder Photonen. Bei ausreichend hoher Energie des Lichtquants kann das Elektron das Material verlassen, was als „Photoeffekt“ bezeichnet wird. Bei niedrigeren Lichtquantenenergien bildet dieser Effekt zum Beispiel die Grundlage für die Stromerzeugung durch Solarzellen. Er ist in vielen weiteren technischen Anwendungen von grundlegender Bedeutung.

„Für unsere Studie zur Elektronen-Emission haben wir eine Art Wettrennen zwischen Elektronen mit unterschiedlichen Startbedingungen durchgeführt“, sagt Professor Dr. Walter Pfeiffer. Das Team am Lehrstuhl für Molekül- und Oberflächenphysik der Universität Bielefeld um ihn und Professor Dr. Ulrich Heinzmann nutzt zeitaufgelöste Laserspektroskopie als Verfahren: „Wir haben Laserstrahlung eingesetzt und ultrakurze Lichtimpulse auf einen Halbleiterkristall geschossen. Dies startet das Rennen. Mit einem sehr intensiven zweiten Lichtimpuls wird die Zeit genommen und bestimmt, in welcher Reihenfolge die ausgelösten Elektronen das Material verlassen.“ Dafür war eine sehr hohe Zeitauflösung nötig.

„Wir sprechen hier von äußerst winzigen Zeitabschnitten“, sagt Pfeiffer. Das Verfahren gehört zum noch jungen Gebiet der Attosekunden-Lasertechnik. Die Ankunft der Elektronen wird mit einer Auflösung von etwa zehn Attosekunden bestimmt. Eine Attosekunde ist ein Millardstel einer Millardstel Sekunde. Die Zeitauflösung im Experiment verhält sich zu einer Sekunde in etwa wie eine Sekunde zum Alter des Universums.

Die Laserexperimente brachten ein unerwartetes Ergebnis: „Eigentlich schnellere Elektronen kommen als letzte an“, sagt Pfeiffer. „Das liegt daran, dass sie sich zunächst noch in einer Umlaufbahn um den Atomkern befinden, bevor sie sich auf den Weg zur Materialoberfläche machen und austreten. Elektronen, die um den Atomkern herum tanzen, verlieren somit das Rennen.“ Andere Elektronen fliegen laut Pfeiffer geradeaus aus dem Atom. „Das ist vergleichbar mit einer Rakete, die geradeaus ins All geschossen wird und nicht erst die Erde umkreist.“ Weil das eigentlich langsamere Elektron den direkten Weg nimmt, gewinnt es das Rennen.

Ob und wie lange ein Elektron um den Kern tanzt, hängt von seinen Startbedingungen ab. „Das Halbleitermaterial, das wir verwendet haben, bietet vier photoelektrische Ausgangskanäle mit unterschiedlichen Startbedingungen für die Elektronen“, sagt Pfeiffer. Erst der Vergleich dieser vier Kanäle hat Pfeiffer zufolge die weitreichenden Schlussfolgerungen der nun veröffentlichten Studie ermöglicht.

„Unsere Beobachtung, dass schnelle Elektronen länger brauchen können, um auszutreten, bedeutet, dass eine bisherige theoretische Annahme zur Beschreibung des Photoeffektes geändert werden muss“, sagt der Experimentalphysiker Pfeiffer. „In neuen theoretischen Modellen der Photoemission aus Festkörpern muss künftig berücksichtigt werden, wie die Elektronen im Atom, das die Photoelektronen ausstößt,  zusammenspielen. Der Tanz der Elektronen nach Anregung muss also korrekt behandelt werden.“

Bei der Interpretation der Bielefelder Experimente war die Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern des Donostia International Physics Center an der Universität des Baskenlandes in San Sebastián (Spanien) entscheidend. Sie berechneten, wie sich die Elektronen im Atom und in dem Halbleiterkristall ausbreiten. Ebenfalls an der Studie beteiligt waren: das Institut für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, die Basque Foundation for Science (Spanien), das Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics der Lomonosov Moscow State University in Moskau (Russland), das Unternehmen European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg, das Helmholtz-Institut Jena und das Centro de Física de Materiales CFM/MPC in San Sebastián (Spanien).

Originalveröffentlichung:
Fabian Siek, Sergej Neb, Peter Bartz, Matthias Hensen, Christian Strüber, Sebastian Fiechter, Miquel Torrent-Sucarrat, Vyacheslav M. Silkin, Eugene E. Krasovski, Nikolay M. Kabachnik, Stephan Fritzsche, Ricardo Díez Muiño, Pedro M. Echenique, Andrey K. Kazansky, Norbert Müller, Walter Pfeiffer, Ulrich Heinzmann: Angular momentum induced delays in solid state photoemission enhanced by intra-atomic interactions. Science. https://doi.org/10.1126/science.aam9598, erschienen am 22. September 2017.

Weitere Informationen:
Lehrstuhl für Molekül- und Oberflächenphysik: http://www.physik.uni-bielefeld.de/mop