這是何等的美妙？立體聲中的光電效應

在光電效應中，光子從材料中射出電子。ETH的研究人員現在使用阿秒激光脈衝來測量分子中這種效應的時間演變。從結果中可以推斷出光電離事件的確切位置。當一個光子碰到一種材料時，只要它有足夠的能量，它就可以從中射出一個電子。阿爾伯特·愛因斯坦在伯爾尼1905年的「奇蹟年」期間發現了這種現象的理論解釋 - 這就是所謂的光電效應。這個解釋對於當時正在進行的量子力學的發展至關重要，並於1921年為他贏得了諾貝爾物理學獎。由蘇黎世聯邦理工學院量子電子學研究所的厄休拉凱勒率領的國際物理學家團隊現在為這一重要影響的實驗研究增添了新的層面。

根據電子是靠近氧還是靠近碳原子，激光脈衝會將它或多或少地發射出去，這種差異現在可以精確地衡量。圖片：ETH Zurich

利用阿秒激光脈衝能夠測量電子從分子中噴射的微小時間差，這取決於分子內電子的位置。相當長一段時間以來，人們已經研究了原子中光電效應的時間演變 ，但迄今為止關於分子的發表很少。」這主要是由於分子比單個原子複雜得多。在一個原子中，圍繞原子核運動的最外層電子基本上彈射出它的軌道。相反，在一個分子中，兩個或兩個以上的核共享相同的電子。它的位置取決於不同吸引人的潛力之間的相互作用。究竟如何在這種情況下發生光電效應現在只能詳細研究。為此Keller和她的同事使用了一氧化碳分子，它由兩個原子組成 - 一個碳原子和一個氧原子。

這些分子暴露於僅持續幾個阿秒的極紫外激光脈衝。（阿秒是十億分之一秒的十億分之一）。紫外光子的能量將電子從分子中剝離出來，隨後分解成它們的組成原子。其中一個原子在這個過程中轉化為帶正電的離子。研究人員用一種特殊的儀器測量了電子和離子飛走的方向。第二個激光脈衝作為一種測量棒，也允許他們確定電子離開分子的精確時刻。凱勒集團的博士後研究員Laura Cattaneo說：通過這種方式，第一次能夠測量所謂的立體聲威格納時間延遲。立體維格納時間延遲測量當電子離子發生時，如果電子位於氧原子附近或碳原子附近，則電子離開分子早或晚多少。

極短的激光脈衝可以測量瞬間到幾個阿秒。從這些信息反過來，可以確定分子內電離事件的位置在十分之一納米以內。實驗結果與描述電子在光電離時最可能的位置的理論預言非常吻合。接下來，ETH研究人員希望仔細研究大分子，從笑氣N2O開始。該分子中的額外原子已經使得理論描述更加困難，但同時物理學家希望獲得新的見解，例如分子內所謂的電荷遷移，其在化學過程中起重要作用。理論上，甚至有可能使用阿秒激光脈衝不僅僅研究這些過程，而且還要有意識地控制它們並因此控制化學反應的細節。然而現在，這樣的化學還有很長的路要走，正如Jannie Vos指出的那樣：理論上這非常令人興奮，但在我們到達那裡之前還有很多事情要做。

博科園-科學科普｜參考期刊：Science｜來自：蘇黎世聯邦理工學院

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