Физики связали время вылета электрона при фотоэффекте с угловым моментом
Время вылета электронов при фотоэлектронной эмиссии оказалось связанным с их изначальным угловым моментом. Для того, чтобы исследовать этот эффект, немецкие ученые использовали лазерные импульсы с аттосекундным разрешением. Результаты исследования опубликованы в Science.
Фотоэффект — явление испускания твердым телом электронов при облучении его пучком света. Открыт фотоэффект был еще в 80-х годах XIX века в опытах Герца и Столетова, а спустя примерно 20 лет Альберт Эйнштейн предложил для него теоретическое объяснение. Несмотря на то, что принципиальное объяснение было предложено уже более века назад, что в точности происходит с электроном в момент облучения, как долго он после этого задерживается около ядра атома, и в какой момент отрывается от него — оставалось неизученным из-за недостаточного временного разрешения как источников излучения, так и детекторов.
В своей новой работе исследователи изучили фотоэлектронную эмиссию при облучении селенида вольфрама WSe2. Этот материал физики облучали аттосекундными (10-18 секунды) импульсами ультрафиолетового излучения и более длинными фемтосекундными (10-15 секунды) импульсами инфракрасного лазера с небольшой задержкой между ними. Ультрафиолетовый импульс выбивал из материала электроны, а результат взаимодействия инфракрасного импульса с выбитым электроном фиксировался детектором. Зная время задержки между двумя импульсами, из полученного сигнала ученые могли определить время задержки между выбиванием различных типов фотоэлектронов. Точность измерений при этом составляла до 10 аттосекунд.
Селенид вольфрама был выбран в качестве облучаемого материала не случайно. Во-первых, в нем есть четыре различных источника фотоэлектронов: это валентная зона, электроны на 4s и 3d-уровнях атома селена и электроны 4f-уровня атома вольфрама. Для каждого из этих электронов при фотоэмиссии характерна своя кинетическая энергия. Во-вторых, селенид вольфрама — это слоистая структура с достаточно большим расстоянием между слоями, поэтому можно легко определить, из какого слоя был выбит тот или иной фотоэлектрон.
Исходя из полученных данных, ученые обнаружили следующую последовательность выбивания электронов из вещества: сначала выбиваются электроны с 4s уровня селена, примерно через 12 аттосекунд после этого происходит выбивание электрона из валентной зоны, через еще 16 аттосекунд выбивается электрон с 3d-уровня селена, и самыми последними, еще через 47 аттосекунд после первого электрона происходит выбивание с 4f-уровня вольфрама. Что характерно, последовательность выбивания определяется не возрастанием кинетической энергии, как можно было бы предположить, а возрастанием углового момента электронов на орбиталях. Ученые отмечают, что оценить угловой момент электронов в валентной зоне селинида вольфрама достаточно сложно, но известно, что она образуется в результате взаимодействия 4p-уровня селена и 5d-уровня вольфрама, поэтому тоже попадает в эту последовательность.
Для того, чтобы объяснить полученные данные, ученые рассматривают фотоэмиссию электрона как двухстадийный процесс: внутриатомная стадия и непосредственно вылет электрона. Разницу времени выбивания электронов с различных электронных уровней ученые объясняют внутриатомным взаимодействием с другими электронами и ядром на каждой из стадий этого процесса. При этом чем больше угловой момент электрона при его движении вокруг атомного ядра, тем больше времени ему требуется для отрыва. Для количественного подтверждения своей гипотезы экспериментально измеренные времена вылета фотоэлетронов физики сравнили с рассчитанными по двум моделям внутриатомного взаимодействия: первая модель рассматривает каждый электрон независимо, а вторая также учитывает корреляции между электронами и релятивистские эффекты. Исходя из этих моделей, физики оценили вклад во время задержки на каждой из двух стадий процесса и обнаружили количественное согласие для обеих моделей с данными эксперимента.
По утверждению ученых, полученные данные вносят некоторые поправки в теорию фотоэлектронной эмиссии и помогают еще лучше понять природу фотоэффекта. Это, в свою очередь, поможет, например, получить большее данных о структуре и свойствах материала с помощью фотоэлектронной спектроскопии.
Стоит отметить, что предложенный метод для изучения фотоэмиссии ученые уже использовали для того, чтобы
время отрыва электрона от атома гелия и исследовать его электронную структуру.
Александр Дубов
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica. Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев. Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца. В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже. Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект. Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.