Фотоэмиссия электронов с кончика металлической иглы оказалась аттосекундной

Немецкие физики измерили время, которое занимает у электрона отрыв от кончика металлической иглы под действием интенсивного лазерного поля — оно оказалось равным 710 аттосекундам. Для этого они измеряли спектр обратно рассеянных электронов, облучая иглу импульсами света на двух частотах и меняя разницу фаз между ними. Исследование опубликовано в Nature.

Высвобождение электронов с поверхности твердых тел под действием света сыграло важную роль в развитии физики. Для объяснения фотоэффекта Эйнштейн предположил, что световая энергия поглощается порциями, заложив базис корпускулярного представления о свете.

Сегодня фотоэмиссия электронов лежит в основе фотовольтаики, оптоэлектроники, и некоторых приложений фотоники. В качестве источника электронов часто используют кончик металлической иглы — это позволяет добиваться ультракоротких электронных импульсов. Такие импульсы нужны для задач ускорения частиц, а также для визуализации.

Для оптимизации этого процесса физикам нужно понимать фотоэмиссию в деталях. Наибольших успехов они достигли при работе с газообразными атомами и молекулами: в них временное разрешение ионизации достигло аттосекунд. Для твердых же тел, в особенности тонких игл, сегодня существуют только грубые оценки времени фотоэмиссии.

Закрыть этот пробел решили Филип Динстбир (Philip Dienstbier) из Университета Эрлангена — Нюрнберга и его коллеги. Суть работы заключалась в исследовании фотоэмиссии электронов с кончика иглы под действием двухцветного лазерного излучения. Оказалось, что характер испускания электронов чувствителен к разнице фаз между световыми лучами. Это позволило выяснить, что фотоэмиссия электронов происходит на аттосекундном масштабе.

Традиционный фотоэффект объясняется с помощью поглощения фотона электроном проводимости. Когда энергия фотона превышает работу выхода, электрон покидает кристалл. В интенсивном излучении механизм чаще протекает за счет туннельной ионизации: большое значение напряженности электрического поля формирует потенциальный барьер для электронов, который те могут преодолеть. В случае же, когда это поле переменное, часть электронов возвращается обратно в кристалл. Они могут либо срекомбинировать с испусканием рентгеновского излучения, либо обратно рассеяться на образце. Спектр таких рассеянных электронов и интересовал физиков.

В эксперименте они использовали вольфрамовую иглу с радиусом закругления 15 нанометров, на которую фокусировали фемтосекундные импульсы с длиной волны 1560 нанометров и их вторую гармонику с длиной волны 780 нанометров. Поляризация обоих лучей была ориентирована вдоль оси иглы, а пиковые амплитуды первой и второй гармоники были равны 7,54 и 1,43 вольта на нанометр. Ученые контролировали разность фаз между импульсами и следили за тем, как меняется энергетический спектр обратно рассеянных электронов.

Оказалось, что этот спектр чувствителен к разности фаз и периодически от нее зависит. Физики сравнили результаты эксперимента с симуляциями, выполненными с помощью зависящего от времени уравнения Шрёдингера — совпадение оказалось достаточно хорошим.

На следующем этапе авторы спроецировали зависящие от времени волновые функции электронов на классические траектории. Это позволило сопоставить область отсечки оптимального фазового профиля с длительностью фотоэмиссии. Анализ показал, что этот процесс происходит за 710 ± 30 аттосекунд.

Такое высокое разрешение позволит физикам детальнее исследовать фундаментальные эффекты при электронной эмиссии с металлических игл, например эффект блокировки Паули.

Ранее мы рассказывали, как американские ученые не увидели этого эффекта в корреляциях, возникающих в парах электронов, фотоиндуцированных из кончика тонкой вольфрамовой иглы.