Zdá se vám to jako nesmyslná otázka? Pak se vaše uvažování ubírá nesprávným směrem, protože odpověď na ní přináší do fyziky řadu zcela nových poznatků.
Fotoefekt trvá 45 attosekund (miliontin biliontiny sekundy), to je 10−18 sekund. Dosud nejpřesnější údaj o délce trvání emise elektronu vyvolané světlem nedávno přinesl vědecký tým z Technické univerzity ve Vídni. Důležitá přitom není ani tak samotná cifra s dlouhou řadou nul za desetinnou čárkou, jako spíš technika, kterou vědci použili. Ta totiž může přinést zcela nové poznatky o chování elektronů uvnitř materiálu a také může pomoci zlepšit fotoelektrické technologie jako třeba výrobu slunečních článků nebo jednotlivých složek optoelektronických komunikačních systémů.
Fotoefekt má ve fyzice své důležité místo. Albert Einstein je široké veřejnosti znám jako největší fyzik moderní doby. Méně se však ví, že Nobelovu cenu v roce 1921 nezískal za teorii relativity, ale právě za práce na teorii fotoefektu. Einstein ukázal, proč světlo, které dopadá na povrch materiálu, uvolňuje elektrony, ale pouze pokud je frekvence světla vyšší než určitý práh. Tento jev vysvětlil na základě předpokladu, že světlo existuje nejen jako elektromagnetické vlnění, ale také jako diskrétní částice, které byly později nazvány fotony. A to byl vlastně první vážný příspěvek ke vzniku a rozvoji kvantové mechaniky.
Protože fotoelektrický jev probíhá velmi rychle, fyzici si dlouho mysleli, že doba emise elektronu je tak krátká, že se nedá změřit s alespoň uspokojující přesností. Díky vývoji stále kratších a kratších laserových pulzů však mohli zkusit měřit dobu emise použitím attosekundové kamery. Základem je vyslání dvou ultrakrátkých laserových pulzů do materiálu, kdy první pulz vyrazí elektron a druhý jej urychlí směrem k detektoru.
Attosekundová spektroskopie je nový obor, který umožňuje pozorovat pohyby atomů a molekul v reálném čase. Molekuly se otáčejí v řádu pikosekund (10−11 s), atomy vibrují v řádu femtosekund (10−15 s) a elektrony se pohybují v řádu attosekund (10−18 s). Zatím nejkratší laserový pulz, trvající 43 attosekund, se podařilo vytvořit fyzikům z ETH Zürich. Tento laserový pulz je nejkratší řízenou událostí, která byla dosud v laboratoři vytvořena.
Problémem této techniky při měření délky trvání fotoefektu je, že pro většinu materiálů se nedá určit čas, který je potřeba k emisi jednoho elektronu. Platí to navzdory faktu, že pokud jsou prvním pulzem uvolněny dva elektrony z různých energetických hladin, časové zpoždění mezi jejich emisí se určit dá.
Vídeňští fyzici spolu s kolegy teď vyvinuli novou techniku, která používá atomy jódu a helia jako „hodiny“ pro určení přesného času potřebného pro emisi elektronu z kovového wolframu. Metoda je založena na umístění atomů jódu na povrch wolframu. Pomocí attosekundové kamery se pak měří zpoždění mezi emisí elektronů z wolframu a emisí elektronů z jódu. Druhá kamera provádí měření v plynu, který obsahuje atomy jódu a helia. Výsledkem je určení zpoždění emise elektronů z jódu a z helia.
Vědci zvolili helium, protože jde o velmi jednoduchý atom, který má pouze dva elektrony, a na rozdíl od wolframu a jódu může být z měření attosekundové kamery určen přesný čas potřebný pro emitování elektronu.
Použitím měření na jódu vědci vypočítali, že emise z wolframu trvá kolem 45 attosekund pro vodivostní elektrony a kolem 100 attosekund pro elektrony z vnitřních energetických hladin atomu. Analýzy časů pro několik různých elektronových stavů ve wolframu navíc napovídají, že proces emise elektronu světlem je daleko komplikovanější, než se fyzici domnívali.
S pomocí techniky, kterou fyzici vyvinuli, je možné studovat důležité fyzikální procesy s přesností, která byla ještě před několika lety nepředstavitelná. Otevírá se tím zajímavé pole výzkumu, které poskytuje pozoruhodný nový pohled na fyziku povrchů nebo na procesy elektronového transportu uvnitř materiálů.
Původní práce je uveřejněna v Nature.
Mohlo by vás zajímat:
Nová
metoda pro tkáňové inženýrství
Nobelova
cena za fyziku 2018
Tření
má paměť
Přírodní
jaderné reaktory