Milliardstel einer milliardstel Sekunde Albert Einsteins Photoeffekt neu vermessen

Für seine Erklärung bekam Albert Einstein einst den Nobelpreis - nun haben Forscher den Photoelektrischen Effekt präziser vermessen als je zuvor. Das Phänomen spielt sich schneller ab als gedacht.

Messung des Photoelektrischen Effekts
A. Heddergott/ TUM

Messung des Photoelektrischen Effekts


Die Relativitätstheorie ist das Hauptwerk des Ausnahmephysikers Albert Einstein. Doch seinen Nobelpreis im Jahr 1921 hat er für eine andere Arbeit bekommen. Es ging dabei um den sogenannten Photoelektrischen Effekt. Das ist die Freisetzung von Elektronen aus einer Halbleiter- oder Metalloberfläche, wenn diese bestrahlt wird. Das Problem dabei: Die beobachteten Phänomene ließen sich nicht so recht erklären, wenn Licht wie dahin üblich als Welle angesehen wurde.

Stattdessen, so die zum Beispiel auf Arbeiten von Max Planck aufbauenden Erklärungen Einsteins, müsse annehmen, dass Licht auch aus Teilchen bestehen kann. Dieser sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus markierte die Geburt der modernen Quantenphysik.

Wissenschaftler der Technischen Universität München, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching und der Technischen Universität Wien haben den Photoelektrischen Effekt nun mit ungekannter Präzision vermessen können. Es ging dabei um die Frage, wie viel Zeit vergeht zwischen der Lichtaufnahme durch den Festkörper und dem dadurch verursachten Lösen des Elektrons aus dessen Inneren.

Forscher konnten bisher nur Richtung und Energie der Elektronen bestimmen. Der Weg konnte aufgrund der winzigen Dimensionen und der extrem kurzen Dauer dagegen nicht beobachtet werden. Ein deutsch-österreichisches Team berichtet im Fachmagazin "Nature" nun von einer neuen Messmethode. Die Forscher hatten einzelne Jod-Atome auf einen Wolframkristall befestigt und diesen anschließend mit Röntgenblitzen bestrahlt.

Die Blitze starteten den Photoeffekt. Da die Jod-Atome extrem schnell auf einfallendes Röntgenlicht reagierten, so die Forscher, hätten diese als Licht- und Elektronen-Stoppuhren genutzt werden können. Man habe so die Zeitspanne bis zum Austreten der Photoelektronen aus dem Kristall mit einer Genauigkeit von wenigen Attosekunden bestimmt, erklärte Reinhard Kienberger, einer der beteiligten Forscher.

Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde. Die Messung zeigte, dass Photoelektronen aus dem Wolframkristall in rund 40 Attosekunden erzeugt werden können - etwa doppelt so schnell wie erwartet. Noch schneller seien Elektronen aus Atomen auf der Oberfläche des Kristalls gelöst worden. Nach der Bestrahlung mit Röntgenlicht hätten sie ganz ohne messbare Verzögerung direkt Elektronen freigegeben.

Dies sei interessant für das Herstellen von besonders schnellen Photokathoden für eine Anwendung in Freie-Elektronen-Lasern, so die Forscher. Auch bei der Entwicklung neuartiger Solarzellen sollen die neuen Erkenntnisse helfen.

chs

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