科学家利用阿秒X射线脉冲对光电效应有了新的认识
美国能源部 SLAC 国家加速器实验室的科学家团队发现了有关光电效应的新信息，光电效应是爱因斯坦一个多世纪前首次描述的现象。他们的方法为研究电子间相互作用提供了一种新工具，电子间相互作用是半导体和太阳能电池等许多技术的基础。研究结果于8月21日发表在《自然》杂志上。
当原子或分子吸收光子时，它会发射一个电子，这一过程称为光电效应。
爱因斯坦对光电效应（又称光电离）的描述为量子力学奠定了理论基础。然而，这种效应的瞬时性一直是人们热议和争论的话题。
阿秒科学的最新进展提供了解决光电离中涉及的超快时间延迟所需的工具。
“爱因斯坦因描述光电效应而获得诺贝尔奖，但一百年后，我们才刚刚开始真正了解其背后的动力学，”主要作者、SLAC 科学家塔兰·德莱弗说。
“通过测量 X 射线领域的这些延迟，我们的工作向前迈出了重要一步，这是以前从未实现过的壮举。”
研究团队利用来自 SLAC 直线加速器相干光源 (LCLS) 的阿秒 X 射线脉冲（时长仅为十亿分之一秒）来电离核心层电子。这一过程将电子从他们正在研究的分子中弹出。
实验示意图。
然后他们使用单独的激光脉冲，根据电子发射的时间将电子踢向略微不同的方向，以测量所谓的“光发射延迟”。
光发射延迟可以被认为是分子吸收光子和发射电子之间的时间。这些延迟高达 700 阿秒，比之前预测的要大得多，这对现有的理论模型提出了挑战，并为理解电子行为开辟了新途径。研究人员还发现，电子之间的相互作用在这种延迟中起着重要作用。
“通过测量弹射电子方向的角度差异，我们可以高精度地确定时间延迟，”论文合著者、SLAC 科学家詹姆斯·克莱恩 (James Cryan) 说。
“测量和解释这些延迟的能力有助于科学家更好地分析实验结果，特别是在蛋白质晶体学和医学成像等领域，其中X射线与物质的相互作用至关重要。”
这项研究是一系列计划中的实验中的首批之一，旨在探索不同分子系统中电子动力学的深度。其他研究小组已经开始使用这项开发的技术来研究更大、更复杂的分子，揭示电子行为和分子结构的新方面。
“这是一个发展中的领域，”合著者 Agostino Marinelli 说道。“LCLS 的灵活性使我们能够探测各种能量和分子系统，使其成为进行此类测量的强大工具。这只是我们在这些极端时间尺度上所能取得的成就的开始。”
更多信息： James Cryan，X 射线分子电离中的阿秒延迟，《自然》（2024 年）。DOI ：10.1038/s41586-024-07771-9。
期刊信息： Nature
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