25/09/2017
Door Ad Spijkers
Atomen stoten elektronen af wanneer een materiaal met licht van voldoende hoge frequentie wordt bestraald. Tot nu toe ging de fysica er van uit, dat de beweging van deze foto-elektronen is bepaald door de materiaaleigenschappen. Dat model moet nu op de schop.
Licht brengt energie over op elektronen in de vorm van energiepakketten, de zogeheten lichtquanta of fotonen. Bij voldoende hoge energie van het lichtquantum kan het elektron het materiaal verlaten, wat 'foto-effect' wordt genoemd. Bij lage lichtquantumenergieniveaus vormt dit effect bijvoorbeeld de basis voor de stroomopwekking door zonnecellen.
Voor hun studie naar de elektronenemissie hebben onderzoekers van de Universität Bielefeld een soort wedstrijd tussen elektronen met verschillende startcondities uitgelokt. Het team paste laserspectroscopie toe, waarbij ultrakorte lichtimpulsen op een halfgeleiderkristal werden geschoten. Dit startte de wedstrijd. Met een zeer intensieve lichtimpuls werd de tijd gemeten en bepaald in welke volgorde de uitgestoten elektronen het materiaal verlaten. Daarvoor was een zeer hoge tijdresolutie nodig (ordegrootte van attoseconden, 10-18 s).
Rondgaan of wegschieten
De laserexperimenten gaven een onverwacht resultaat: eigenlijk snellere elektronen komen als laatste aan. Dat komt omdat ze zich eerst nog in een baan rondom de atoomkern bevinden voordat ze op weg gaan naar het materiaaloppervlak en uittreden. Elektronen die om de atoomkern heen dansen, verliezen hierdoor de wedstrijd. Andere elektronen vliegen rechtdoor het atoom uit. Dat is te vergelijken met een raket die recht het heelal in wordt geschoten en niet eerst rondom de aarde cirkelt. Omdat het eigenlijk langzamere elektronen de directe weg kiest, wint het de wedstrijd.
Of en hoe lang een elektron rondom de kern danst, hangt af van zijn startcondities. Het halfgeleidermateriaal dat de onderzoekers gebruikten, biedt vier foto-elektrische uitgangskanalen met verschillende startcondities voor de elektronen. De vergelijking van deze vier kanalen heeft de onderzoekers tot hun vergaande conclusies geleid.
Nieuwe modellen nodig
De waarneming dat snelle elektronen meer tijd nodig kunnen hebben om uit te treden, betekent volgens de experimentele fysici dat de tot nu toe gebruikelijke theoretische aanname voor de beschrijving van het foto-effect moet worden veranderd. In nieuwe theoretische modellen van de foto-emissie uit vaste lichamen moet er in de toekomst rekening mee worden gehouden, hoe de elektronen in het atoom dat de foto-elektronen uitstoot, samenspelen. De dans van de elektronen naar rangschikking moet dus correct worden behandeld.
Voor het onderzoek hebben de experimentele wetenschappen nauw samengewerkt met theoretische fysici van het Donostia International Physics Center (DIPC) en de Universiteit van Baskenlandes in San Sebastián. De Basken berekenden hoe de elektronen in het atoom en in het halfgeleiderkristal zich verspreiden.