物理学者は、光電効果における電子の放出の時間を角運動量と関連付けました

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物理学者は、光電効果における電子の放出の時間を角運動量と関連付けました
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光電子放出中の電子の放出時間は、それらの初期角運動量に関連していることが判明した。この影響を調査するために、ドイツの科学者はアト秒分解能のレーザーパルスを使用しました。研究成果はScienceに掲載されています。

光電効果は、固体が光線を照射されたときに固体が電子を放出する現象です。光電効果は1880年代にヘルツとストレトフの実験で発見され、約20年後、アルバートアインシュタインはその理論的説明を提案しました。基本的な説明が1世紀以上前に提案されたという事実にもかかわらず、照射の瞬間に電子に正確に何が起こるか、それが原子核の近くにその後どれくらい長く残るか、そしてそれがどの瞬間にそれから離れるのかは未踏のままでした。放射線源と検出器の両方の時間分解能が不十分です。

彼らの新しい研究では、研究者たちはセレン化タングステンWSe2の照射からの光電子放出を研究しました。物理学者は、この材料にアト秒(10〜18秒)の紫外線パルスとより長いフェムト秒(10〜15秒)の赤外線レーザーパルスをわずかな遅延で照射しました。紫外線パルスが材料から電子をノックアウトし、赤外線パルスとノックアウトされた電子との相互作用の結果が検出器によって記録されました。科学者は、受信信号から2つのパルス間の遅延時間を知ることで、さまざまな種類の光電子をノックアウトする間の遅延時間を決定できます。この場合、測定精度は最大10アト秒でした。

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光電効果下のセレン化タングステンからの電子ノックアウトの二段階メカニズム:原子内段階と放出段階

偶然にも、セレン化タングステンが照射材料として選ばれなかった。まず、4つの異なる光電子源があります。価電子帯、セレン原子の4sおよび3dレベルの電子、およびタングステン原子の4fレベルの電子です。光電子放出におけるこれらの電子のそれぞれは、それ自身の運動エネルギーによって特徴付けられます。第二に、セレン化タングステンは、層間の距離が十分に大きい層状構造であるため、特定の光電子がどの層からノックアウトされたかを簡単に判断できます。

得られたデータに基づいて、科学者は物質から電子をノックアウトする次のシーケンスを発見しました。最初に、電子は4sレベルのセレンからノックアウトされ、その後約12アト秒で、電子は価電子帯からノックアウトされます。 16アト秒で電子が3dレベルのセレンからノックアウトされ、最後の、最初の電子が4fレベルのタングステンからノックアウトされてからさらに47アト秒が経過します。特徴的に、ノックアウトシーケンスは、想定されるような運動エネルギーの増加ではなく、軌道上の電子の角運動量の増加によって決定されます。科学者たちは、セリニドタングステンの価電子帯の電子の角運動量を推定することはかなり難しいと述べていますが、4pレベルのセレンと5dレベルのタングステンの相互作用の結果として形成されることが知られていますしたがって、これもこのシーケンスに分類されます。

得られたデータを説明するために、科学者は電子の光電子放出を、原子内段階と電子の直接放出という2段階のプロセスと見なしています。科学者たちは、このプロセスの各段階で、他の電子や原子核との原子内相互作用によって、さまざまな電子レベルから電子をノックアウトする時間の違いを説明しています。この場合、原子核の周りを移動する際の電子の角運動量が大きいほど、電子が分離するのにかかる時間が長くなります。それらの仮説を定量的に確認するために、実験的に測定された光電子放出時間は、原子内相互作用の2つのモデルを使用して計算された時間と比較されました。これらのモデルに基づいて、物理学者はプロセスの2つの段階のそれぞれで遅延中の寄与を推定し、実験データを使用して両方のモデルの定量的な一致を見つけました。

科学者によると、得られたデータは、光電子放出の理論にいくつかの修正を加え、光電効果の性質をよりよく理解するのに役立ちます。これは、たとえば、光電子分光法を使用して材料の構造と特性に関するより多くのデータを取得するのに役立ちます。

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