Час вильоту електронів при фотоелектронній емісії виявився пов'язаним з їх початковим кутовим моментом. Для того, щоб дослідити цей ефект, німецькі вчені використовували лазерні імпульси з аттосекундною роздільною здатністю. Результати дослідження опубліковані в.
Фотоефект - явище випускання твердим тілом електронів при опроміненні його пучком світла. Відкритий фотоефект був ще в 80-х роках XIX століття в дослідах Герца і Столєтова, а через приблизно 20 років Альберт Ейнштейн запропонував для нього теоретичне пояснення. Незважаючи на те, що принципове пояснення було запропоновано вже більше століття тому, що в точності відбувається з електроном в момент опромінення, як довго він після цього затримується близько ядра атома, і в який момент відривається від нього - залишалося невивченим через недостатній тимчасовий дозвіл як джерел випромінювання, так і детекторів.
У своїй новій роботі дослідники вивчили фотоелектронну емісію при опроміненні селенида вольфрама WSe2. Цей матеріал фізики опромінювали аттосекундними (10-18 секунди) імпульсами ультрафіолетового випромінювання і довшими фемтосекундними (10-15 секунди) імпульсами інфрачервоного лазера з невеликою затримкою між ними. Ультрафіолетовий імпульс вибивав з матеріалу електрони, а результат взаємодії інфрачервоного імпульсу з вибитим електроном фіксувався детектором. Знаючи час затримки між двома імпульсами, з отриманого сигналу вчені могли визначити час затримки між вибиванням різних типів фотоелектронів. Точність вимірювань при цьому становила до 10 аттосекунд.
Селенід вольфраму був обраний як опромінюваний матеріал не випадково. По-перше, в ньому є чотири різних джерела фотоелектронів: це валентна зона, електрони на 4s і 3d-рівнях атома селену і електрони 4f-рівня атома вольфрама. Для кожного з цих електронів при фотоемісії характерна своя кінетична енергія. По-друге, селенід вольфраму - це шалена структура з досить великою відстанню між шарами, тому можна легко визначити, з якого шару був вибитий той чи інший фотоелектрон.
Виходячи з отриманих даних, вчені виявили наступну послідовність вибивання електронів з речовини: спочатку вибиваються електрони з 4s рівня селену, приблизно через 12 аттосекунд після цього відбувається вибивання електрону з валентної зони, через ще 16 аттосекунд вибивається електрон з 3d-рівня селену, і найостаннішими, ще через 47 аттосекунд після першого електрона відбувається вибивання з 4f-рівня вольфраму. Що характерно, послідовність вибивання визначається не зростанням кінетичної енергії, як можна було б припустити, а зростанням кутового моменту електронів на орбіталях. Вчені відзначають, що оцінити кутовий момент електронів в валентній зоні селініда вольфрама досить складно, але відомо, що вона утворюється в результаті взаємодії 4p-рівня селену і 5d-рівня вольфраму, тому теж потрапляє в цю послідовність.
Для того, щоб пояснити отримані дані, вчені розглядають фотоемісію електрону як двостадійний процес: внутрішньоатомна стадія і безпосередньо виліт електрону. Різницю часу вибивання електронів з різних електронних рівнів вчені пояснюють внутрішньоатомною взаємодією з іншими електронами і ядром на кожній зі стадій цього процесу. При цьому чим більше кутовий момент електрону при його русі навколо атомного ядра, тим більше часу йому потрібно для відриву. Для кількісного підтвердження своєї гіпотези експериментально вимірені часи вильоту фотоелетронів фізики порівняли з розрахованими за двома моделями внутрішньоатомної взаємодії: перша модель розглядає кожен електрон незалежно, а друга також враховує кореляції між електронами і релятивістські ефекти. Виходячи з цих моделей, фізики оцінили внесок під час затримки на кожній з двох стадій процесу і виявили кількісну згоду для обох моделей з даними експерименту.
За твердженням вчених, отримані дані вносять деякі поправки в теорію фотоелектронної емісії і допомагають ще краще зрозуміти природу фотоефекту. Це, в свою чергу, допоможе, наприклад, отримати більше даних про структуру і властивості матеріалу за допомогою фотоелектронної спектроскопії.
Варто зазначити, що запропонований метод для вивчення фотоемісії вчені вже використовували для того, щоб оцінити час відриву електрону від атома гелію і дослідити його електронну структуру.