Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Tanzende Elektronen verlieren das Rennen

22.09.2017

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.


Um Elektronen aus dem Halbleitermaterial auszulösen, beschießen die Bielefelder Forscher es mit ultrakurzen Laserpulsen.

Foto: Universität Bielefeld


Mit Lasertechnik untersuchen sie, wie Elektronen in Halbleitern auf Licht reagieren (v.l.): die Physiker Sergej Neb und Prof. Dr. Walter Pfeiffer im Attosekundenlabor der Universität Bielefeld.

Foto: Universität Bielefeld

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.

Kontakt:
Prof. Dr. Walter Pfeiffer, Universität Bielefeld
Fakultät für Physik
Telefon: 0521 106-5470
E-Mail: pfeiffer@physik.uni-bielefeld.de

Weitere Informationen:

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

Jörg Heeren | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Unser Gehirn behält das Unerwartete im Blick
17.08.2018 | Philipps-Universität Marburg

nachricht Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt
16.08.2018 | Universität Bern

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Im Focus: Magnetische Antiteilchen eröffnen neue Horizonte für die Informationstechnologie

Computersimulationen zeigen neues Verhalten von Antiskyrmionen bei zunehmenden elektrischen Strömen

Skyrmionen sind magnetische Nanopartikel, die als vielversprechende Kandidaten für neue Technologien zur Datenspeicherung und Informationsverarbeitung gelten....

Im Focus: Unraveling the nature of 'whistlers' from space in the lab

A new study sheds light on how ultralow frequency radio waves and plasmas interact

Scientists at the University of California, Los Angeles present new research on a curious cosmic phenomenon known as "whistlers" -- very low frequency packets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2018

16.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Bionik im Leichtbau

17.08.2018 | Verfahrenstechnologie

Klimafolgenforschung in Hannover: Kleine Pflanzen gegen große Wellen

17.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

HAWK-Ingenieurinnen und -Ingenieure entwickeln die leichteste 9to-LKW-Achse ihrer Art

17.08.2018 | Messenachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics