Физики из Германии, Австрии и Испании впервые проследили за динамикой отрыва электрона от атома гелия с временным разрешением в 850 зептосекунд. Это позволило проверить работоспособность двухэлектронного уравнения Шредингера на рекордно коротких временных промежутках. Кроме того, как отмечают ученые, исследование дает физикам стандарт, позволяющий точно определять момент начала взаимодействия света с материей. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics, кратко о нем сообщает New Scientist.

Явление фотоэффекта было открыто и изучено в 1880-х годах в опытах Генриха Герца и Александра Столетова. Под действием ультрафиолета электроны покидали металл, что, как стало понятно позднее, было связано с поглощением ими квантов света — фотонов. Объяснение фотоэффекту предложил в 1905 году Альберт Эйнштейн. Впоследствии это явление стало одним из первых экспериментальных подтверждений квантовой механики, а сам физик получил за свою работу Нобелевскую премию.

Долгое время отрыв электрона от атома считался моментальным одностадийным процессом. Однако в 2008 году, благодаря развитию техники спектроскопии, физики выяснили, что между поглощением кванта света и испусканием электрона есть аттосекундная задержка. За аттосекунду (10^-18, одна квинтиллионная доля секунды) свет успевает пролететь лишь три ангстрема, что сопоставимо с размером атома. Эта задержка связана со сдвигом фазы электрона из-за совместного действия притяжения ядра и электронного отталкивания. 

Электронная плотность в атомах гелия после испускания фотоэлектрона. M. Ossiander et al. / Nature Physics, 2016

Теоретический расчет этих воздействий требует анализа электронных корреляций, но их описание на сегодняшний день неполное. Поэтому важную роль играет экспериментальное исследование этого процесса. Новая работа посвящена исследованию задержки фотоэффекта в атомах гелия.

Физики выбрали гелий в качестве объекта исследования, так как это единственная многоэлектронная система, для которой существует точное решение нестационарного уравнения Шрёдингера, описывающего поведение частиц. Любые более тяжелые элементы потребуют приближенных вычислений, снижающих точность результатов — задача взаимодействия нескольких тел не имеет решения в общем случае. В более простой ситуации атома водорода электрон покидает ядро не взаимодействуя с другими электронами (в атоме лишь один электрон). В атоме гелия есть положительно заряженное ядро и два электрона.

Эксперимент для исследования задержки фотоэффекта был построен следующим образом. В первый момент времени атом гелия взаимодействовал с аттосекундным импульсом жесткого ультрафиолетового излучения (10,5 – 13,2 нанометра). Затем возбужденную систему, от которой уже начинал отрываться электрон, облучали с помощью фемтосекундного (10^-15 секунды) импульса инфракрасного лазера. Ключевым в эксперименте было точное знание разности во времени между пусками импульсов. 

Роль второго импульса состояла в зондировании системы. Исследуя то, как инфракрасное излучение взаимодействовало с атомом гелия при разных задержках между основным и зондирующим импульсом, ученые определяли электронную структуру атома. Характерное время колебания ультрафиолетового излучения составляло порядка 35–45 аттосекунд, но многократное повторение и статистическая обработка эксперимента позволили получить временное разрешение в 850 зептосекунд (тысячных долей аттосекунды).

Механизм фотоэффекта и его возможные последствия. Слева — невозбужденный атом гелия. Под действием возбуждающего излучения (фиолетовое) один из электронов покидает атом и взаимодействует с инфракрасным излучением (красное). Другой электрон, из-за перестройки электронных уровней, оказался на орбитали вблизи ядра гелия. Также может происходить альтернативная ситуация: кроме потери одного электрона, атом гелия может перейти в возбужденное состояние. Это означает, что часть энергии кванта возбуждающего излучения «передалась» второму электрону. На врезе справа: энергия электронов, выброшенных фотоэффектом. M. Ossiander et al. / Nature Physics, 2016

Ученые определили, что задержка фотоэффекта составила в эксперименте от 7 до 20 аттосекунд. Эта величина зависела от того, как сильно взаимодействовал электрон со своим соседом и ядром. Кроме того, авторы определили, как распределялась энергия между двумя электронами в гелии: в некоторых случаях разделение было неравным. Сравнение экспериментальных результатов и теории позволило показать, что уравнение Шрёдингера хорошо описывает поведение систем и на таких коротких промежутках — порядка 10^-19 секунды.

На масштабе аттосекунд происходят процессы перестройки электронной структуры атомов и молекул. Так, недавно мы сообщали об исследованиях перестройки электронов в молекулах метилбромида — она занимала десятки аттосекунд. Аналогичная схема эксперимента с двумя импульсами используется и в других исследованиях быстрых процессов: например, отрыва атома водорода от ацетилена и разрыва молекулы иода. Поскольку динамика атомов медленнее, чем динамика электронов, для исследования реакций было достаточно временного разрешения в 0,6 и 30 фемтосекунд соответственно. 

Автор: Владимир Королёв