在光电效应中，光子从材料中射出电子。ETH的研究人员现在使用阿秒激光脉冲来测量分子中这种效应的时间演变。从结果中可以推断出光电离事件的确切位置。当一个光子碰到一种材料时，只要它有足够的能量，它就可以从中射出一个电子。阿尔伯特·爱因斯坦在伯尔尼1905年的“奇迹年”期间发现了这种现象的理论解释 - 这就是所谓的光电效应。这个解释对于当时正在进行的量子力学的发展至关重要，并于1921年为他赢得了诺贝尔物理学奖。由苏黎世联邦理工学院量子电子学研究所的厄休拉凯勒率领的国际物理学家团队现在为这一重要影响的实验研究增添了新的层面。
根据电子是靠近氧还是靠近碳原子，激光脉冲会将它或多或少地发射出去，这种差异现在可以精确地衡量。图片：ETH Zurich
利用阿秒激光脉冲能够测量电子从分子中喷射的微小时间差，这取决于分子内电子的位置。相当长一段时间以来，人们已经研究了原子中光电效应的时间演变 ，但迄今为止关于分子的发表很少。”这主要是由于分子比单个原子复杂得多。在一个原子中，围绕原子核运动的最外层电子基本上弹射出它的轨道。相反，在一个分子中，两个或两个以上的核共享相同的电子。它的位置取决于不同吸引人的潜力之间的相互作用。究竟如何在这种情况下发生光电效应现在只能详细研究。为此Keller和她的同事使用了一氧化碳分子，它由两个原子组成 - 一个碳原子和一个氧原子。
这些分子暴露于仅持续几个阿秒的极紫外激光脉冲。（阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一）。紫外光子的能量将电子从分子中剥离出来，随后分解成它们的组成原子。其中一个原子在这个过程中转化为带正电的离子。研究人员用一种特殊的仪器测量了电子和离子飞走的方向。第二个激光脉冲作为一种测量棒，也允许他们确定电子离开分子的精确时刻。凯勒集团的博士后研究员Laura Cattaneo说：通过这种方式，第一次能够测量所谓的立体声威格纳时间延迟。立体维格纳时间延迟测量当电子离子发生时，如果电子位于氧原子附近或碳原子附近，则电子离开分子早或晚多少。
极短的激光脉冲可以测量瞬间到几个阿秒。从这些信息反过来，可以确定分子内电离事件的位置在十分之一纳米以内。实验结果与描述电子在光电离时最可能的位置的理论预言非常吻合。接下来，ETH研究人员希望仔细研究大分子，从笑气N2O开始。该分子中的额外原子已经使得理论描述更加困难，但同时物理学家希望获得新的见解，例如分子内所谓的电荷迁移，其在化学过程中起重要作用。理论上，甚至有可能使用阿秒激光脉冲不仅仅研究这些过程，而且还要有意识地控制它们并因此控制化学反应的细节。然而现在，这样的化学还有很长的路要走，正如Jannie Vos指出的那样：理论上这非常令人兴奋，但在我们到达那里之前还有很多事情要做。
博科园-科学科普｜参考期刊：Science｜来自：苏黎世联邦理工学院
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