慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學（LMU）和馬克斯-普朗克量子光學研究所（MPQ）的物理學家使用超短激光脈衝來探測鎢晶體中光電子發射的動態。幾乎一個世紀前，阿爾伯特·愛因斯坦因其對光電效應的解釋而獲得了諾貝爾物理學獎。愛因斯坦的理論發表於1905年，其中包含了光是由稱為光子的粒子組成的觀點。

當光照射到物質上時，樣品中的電子對輸入的能量作出反應，這種相互作用產生了所謂的光電效應。光量子（光子）被材料吸收並激髮束縛電子。根據光源的波長，這可能會導致電子的射出。相關材料的電子帶結構對光發射的時間尺度有很大影響。

位於慕尼黑路德維希·馬克西米利安大學（LMU）和馬克斯·普朗克量子光學研究所（MPQ）的物理學家們現在對光發射現象進行了仔細的研究。他們測量了鎢的帶狀結構對光電子發射動態的影響，並對其觀察結果進行了理論解釋。

由於阿托秒技術的發展和不斷完善，現在這成為可能。一個”阿托秒”也就是十億分之一秒。重現性地產生持續幾百阿托秒的激光脈衝序列的能力使研究人員能夠通過定期”凍結活動”來跟踪光發射的過程–類似於頻閃儀，但具有更好的時間分辨率。

在一系列的光電子光譜實驗中，研究小組使用極紫外光的阿秒脈衝來探測鎢晶體的光發射動態。每個脈衝包含幾百個X射線光子，每個光子的能量足以使一個光電子移位。在安裝在晶體前面的探測器的幫助下，研究小組能夠從飛行時間和發射角度的角度來描述噴出的電子。

結果顯示，與進入的光子相互作用的電子需要一點時間來對這種相遇作出反應。這一發現是通過採用一種新的方法來產生阿秒脈衝而實現的。由於引入了一個增強係數為35的無源腔體諧振器，新裝置現在可以以每秒1840萬次的速度產生阿秒脈衝，比以前類似系統中常見的脈衝高出大約1000倍。由於脈衝重複率如此之高，每個脈衝只有很少的光電子就足以提供高的平均流量。

“由於帶負電的​​光電子相互排斥，它們的動能會發生快速變化。為了描述它們的動力學特徵，將它們分佈在盡可能多的阿托秒脈衝中是很重要的，”聯合第一作者Tobias Saule博士解釋道。脈衝速率的增加意味著粒子幾乎沒有機會相互作用，因為它們在時間和空間上分佈得很好，所以最大的能量分辨率在很大程度上得到了保留。通過這種方式，研究小組能夠表明，就光發射的動力學而言，價帶（即晶體中原子的最外層軌道）中相鄰能量狀態的電子，其角動量不同，對進入的光子做出反應的時間也有幾十阿托秒的差異。

值得注意的是，晶體內的原子排列本身對光脈衝的到來和光電子的射出之間的延遲有可測量的影響。”晶體是由許多原子組成的，它們的原子核都帶正電。每個原子核都是電動勢的來源，它吸引著帶負電的電子–就像一個圓孔作為彈珠的電位井一樣，”Stephan Heinrich博士說，他也是該報告的共同第一作者。”當一個電子從一個晶體中移出時，所發生的事情有點像彈珠在一個有凹陷的桌子上的進展。”

這些凹陷代表了晶體中各個原子的位置，而且它們是有規律的。例如，大理石的軌跡直接受到它們存在的影響，而且它與在光滑表面上觀察到的不同。”現在已經證明了晶體內的這種週期性電位是如何影響光發射的時間行為的–而且我們可以從理論上解釋它，”Stephan Heinrich解釋說。觀察到的延遲可以歸因於電子從晶體內部向表面傳輸的複雜性質，也可以歸因於晶體內部和表面的相互作用。