Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο: Νέες υπερευαίσθητες μετρήσεις δείχνουν την ανάγκη αναθεώρησης των μοντέλων που το περιγράφουν

Τα άτομα εκπέμπουν ηλεκτρόνια όταν ακτινοβολούνται με φως σε μια επαρκώς υψηλή συχνότητα. Στο παρελθόν, η φυσική υπέθεσε ότι η κίνηση αυτών των φωτοηλεκτρονίων προσδιορίζεται από τις ιδιότητες του υλικού. Σε νέα μελέτη φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Bielefeld, στη Γερμανία, έδειξαν ότι αυτό που είναι καθοριστικό είναι η αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων μέσα στο άτομο. Τα ηλεκτρόνια, η κίνηση των οποίων μπορεί να θεωρηθεί ένα είδος χορού γύρω από τον πυρήνα του ατόμου, βρέθηκε ότι χρειάζονται περισσότερο χρόνο από άλλα ηλεκτρόνια τα οποία κινούνται προς τα έξω σε ευθείες διαδρομές. Οι ερευνητές του Bielefeld είναι οι πρώτοι στον κόσμο που επιβεβαίωσαν την ύπαρξη αυτού του μηχανισμού καθυστέρησης σε ένα στερεό. Για τη μελέτη συνεργάστηκαν με συναδέλφους τους στη θεωρητική Φυσική από το Donostia* Διεθνές Κέντρο Φυσικής (*Βασκική ονομασία της πόλης με την Ισπανική ονομασία San Sebastián) και του Πανεπιστημίου της Βασκικής Επαρχίας στο San Sebastián, στην Ισπανία.

Ο Einstein βραβεύθηκε με Nobel για την εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου: Το φως μεταφέρει ενέργεια στα ηλεκτρόνια με μορφή πακέτων που αποκαλούνται κβάντα φωτός ή φωτόνια. Αν τα κβάντα φωτός έχουν αρκούντως υψηλή ενέργεια, το ηλεκτρόνιο μπορεί να εγκαταλείψει το υλικό. Σε χαμηλότερες ενέργειες φωτονίων, το φαινόμενο αυτό διαμορφώνει, για παράδειγμα, τη βάση για την παραγωγή ηλεκτρισμού με τα ηλιακά κύτταρα. Είναι θεμελιώδους σημασίας για πολλές ακόμη τεχνολογικές εφαρμογές.

«Για τη μελέτη μας στην εκπομπή ηλεκτρονίου, πραγματοποιήσαμε ένα μικρό αγώνα μεταξύ ηλεκτρονίων με διαφορετικές συνθήκες εκκίνησης», αναφέρει ο καθηγητής Dr. Walter Pfeiffer. Μαζί με την ομάδα του καθηγητή Dr. Ulrich Heinzmann, εφάρμοσαν τη μέθοδο της υπερταχείας φασματοσκοπίας λέιζερ (time-resolved laser spectroscopy): «Χρησιμοποιήσαμε δέσμη λέιζερ και βομβαρδίσαμε έναν ημιαγωγό κρύσταλλο με υπερσύντομους παλμούς λέιζερ. Αυτό ξεκινά τον αγώνα. Χρονομετρήσαμε την άφιξη των ηλεκτρονίων με έναν πάρα πολύ ευαίσθητο δεύτερο φωτεινό παλμό και προσδιορίσαμε την σειρά με την οποία τα ηλεκτρόνια εγκαταλείπουν το υλικό». Αυτό απαιτεί μια πάρα πολύ υψηλή χρονική διακριτότητα.

«Μιλάμε για εξαιρετικά πολύ μικρά χρονικά διαστήματα», λέει ο Pfeiffer. Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε ανήκει στο αναδυόμενο πεδίο της τεχνολογίας λέιζερ αττοδευτερολέπτου [1 attosec = 10^-18 sec ή πεντάκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου ή ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου]. Η άφιξη των ηλεκτρονίων προσδιορίζεται με μια διακριτότητα των περίπου 10 αττοδευτερολέπτων. Η σχέση της χρονικής διακριτότητας με το ένα δευτερόλεπτο είναι περίπου ισοδύναμη με τη σχέση του ενός δευτερολέπτου με την ηλικία του σύμπαντος

Τα πειράματα με λέιζερ παρήγαγαν ένα απρόσμενο αποτέλεσμα: «Παραδόξως τα ταχύτερα ηλεκτρόνια φθάνουν αργότερα», λέει ο Pfeiffer. «Αυτό είναι επειδή βρίσκονται ακόμη σε τροχιά γύρω από τον ατομικό πυρήνα πριν κάνουν το ταξίδι τους προς την επιφάνεια του υλικού και εκπεμφθούν. Έτσι, ηλεκτρόνια τα οποία χορεύουν γύρω από τον ατομικό πυρήνα χάνουν τον αγώνα». Τα άλλα ηλεκτρόνια, σύμφωνα με τον Pfeiffer, κινούνται κατευθείαν έξω από το άτομο. «Είναι σαν μια ρουκέτα που εκτοξεύεται απευθείας στο διάστημα χωρίς να κάνει προηγουμένως περιφορά γύρω από τη Γη». Είναι παραδόξως το πιο αργό ηλεκτρόνιο που ακολουθώντας ευθεία διαδρομή κερδίζει τον αγώνα.

Αν και για πόσο διάστημα ένα ηλεκτρόνιο χορεύει γύρω από τον πυρήνα εξαρτάται από τις συνθήκες εκκίνησής του. «Το ημιαγώγιμο υλικό που χρησιμοποιήσαμε προσφέρει τέσσερα κανάλια φωτοεκπομπής με διαφορετικές συνθήκες εκκίνησης», αναφέρει ο Pfeiffer. Ήταν αυτά τα τέσσερα κανάλια που επέτρεψαν, σύμφωνα με τον Pfeiffer, τα εκτεταμένα συμπεράσματα της μελέτης που δημοσιεύεται.

«Η παρατήρησή μας ότι τα γρήγορα ηλεκτρόνια μπορούν να χρειαστούν περισσότερο χρόνο για να εγκαταλείψουν το υλικό καθιστά απαραίτητο να τροποποιηθούν οι προηγούμενες θεωρητικές υποθέσεις που χρησιμοποιήθηκαν για να περιγράψουν την φωτοεκπομπή», λέει ο πειραματικός φυσικός Pfeiffer. «Τα νέα θεωρητικά μοντέλα της φωτοεκπομπής από στερεά θα πρέπει να λάβουν υπόψη τους την αλληλεπίδραση μεταξύ των ηλεκτρονίων στα άτομα που εκπέμπουν τα φωτοηλεκτρόνια. Ως εκ τούτου, ο χορός των ηλεκτρονίων μετά τη διέγερση χρειάζεται να αντιμετωπιστεί σωστά».