電子儲存環 BESSY II 上的 COLTRIMS 反應顯微鏡，Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)。
當光照射到一種材料上時，電子可以從這種材料中釋放出來——光電效應。儘管這種效應在量子理論的發展中發揮了重要作用，但它仍然存在許多秘密：迄今為止，尚不清楚光子被吸收後電子釋放的速度有多快。Jonas Rist，博士 在法蘭克福歌德大學核物理研究所的一個國際研究團隊中工作的學生現在已經能夠藉助法蘭克福開發的 COLTRIMS 反應顯微鏡找到這個謎團的答案：發射發生在閃電快，即在幾阿秒內——在十億分之一秒內。
整整 100 年前，阿爾伯特·愛因斯坦因在光電效應方面的工作獲得了諾貝爾物理學獎。陪審團還沒有真正理解他的革命性相對論——但愛因斯坦也在光電效應方面進行了開創性的工作。透過他的分析，他能夠證明光子包含單獨的能量包——所謂的光子。這是對馬克斯·普朗克關於光是由量子組成的假設的決定性證實，併為現代量子理論鋪平了道路。
儘管同時對分子中的光電效應進行了廣泛的研究，但尚無法在實驗測量中確定其隨時間的演變。光量子撞擊分子後需要多長時間才能使電子沿特定方向脫離？
“光子吸收和電子發射之間的時間長度很難測量，因為它只是阿秒級的問題，”博士 Till Jahnke 解釋說。Jonas Rist 的主管。這僅對應於一些輕微的振盪。“到目前為止，直接測量這個持續時間是不可能的，這就是我們現在間接確定它的原因。” 為此，科學家們使用了 COLTRIMS 反應顯微鏡——一種測量裝置，可以用它對單個原子和分子進行令人難以置信的詳細研究。
研究人員向反應顯微鏡中心的一氧化碳樣本發射了由柏林亥姆霍茲中心的同步輻射源 BESSY II 產生的極強 X 射線。一氧化碳分子由一個氧原子和一個碳原子組成。現在，X 射線束具有正好合適的能量，可以將其中一個電子從碳原子的最內層電子殼中移出。結果，分子碎片。然後測量氧和碳原子以及釋放的電子。
這就是量子物理學發揮作用的地方。“電子的發射並不是在所有方向上對稱地發生。” 由於一氧化碳分子有一個突出的軸，發射的電子，只要它們仍然緊鄰分子，仍然會受到其靜電場的影響。這會稍微延遲釋放 - 並且程度不同，具體取決於電子噴射的方向。
因為根據量子物理定律，電子不僅具有粒子特性，而且具有波動特性，最終在探測器上以干涉圖案的形式表現出來。“基於我們能夠用反應顯微鏡測量的這些干擾效應，即使時間間隔非常短，延遲的持續時間也可以非常準確地間接確定，”Rist 說。“然而，要做到這一點，我們必須利用量子物理學提供的幾種可能的技巧。”
一方面，測量結果表明，發射電子確實只需要幾十阿秒。另一方面，他們揭示了這個時間間隔在很大程度上取決於電子離開分子的方向，並且這個發射時間同樣很大程度上取決於電子的速度。
這些測量不僅對物理學領域的基礎研究很有意義。用於描述這種電子動力學的模型也與許多化學過程相關，在這些化學過程中，電子並未完全釋放，而是轉移到鄰近的分子，例如，並在那裡引發進一步的反應。在未來，這樣的實驗也有助於更好地理解化學反應動力學。
