SLAC的研究人员在理解爱因斯坦最初描述的光电效应方面取得了突破性进展。

他们开发了一种利用阿秒X射线脉冲测量电子发射延迟的技术，通过显示比预期更大的延迟，揭示了现有理论中的差异。他们的方法为研究电子-电子相互作用提供了新的工具，这对于包括半导体和太阳能电池在内的许多技术来说至关重要。

光电效应新见解

来自美国能源部SLAC国家加速器实验室的一组科学家发现了光电效应的新信息，光电效应是爱因斯坦一个多世纪前首次描述的一种现象。他们的方法为研究电子-电子相互作用提供了一种新工具，这是包括半导体和太阳能电池在内的许多技术的基础。研究结果于8月21日发表在《自然》杂志上。

当一个原子或分子吸收一个光子时，它会通过光电效应过程释放出一个电子。爱因斯坦对光电效应（也称为光致电离）的描述为量子力学奠定了理论基础。然而，这种效应的瞬时性质一直是研究和争论的焦点。最近阿秒科学的发展为解析光致电离所涉及的超快时间延迟提供了必要的工具。

“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中的动力学，”第一作者兼 SLAC 科学家 Taran Driver 说道。“我们的工作标志着在 X 射线领域测量这些延迟方面取得了重大进展，这是以前从未实现过的壮举。”

光发射延迟测量中的突破

研究团队利用SLAC直线加速器相干光源（LCLS）的阿秒X射线脉冲（其时长仅为十亿分之一秒的十亿分之一）电离核心电子。这一过程将电子从其研究的分子中射出。然后，他们使用了一个单独的激光脉冲，该脉冲根据电子的发射时间以略有不同的方向撞击电子，以测量所谓的“光电子发射延迟”。

光电子发射延迟可以看作是分子吸收光子和发射电子之间的时间。这些延迟达到了700阿秒，比之前预测的显著更长，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。

“通过测量喷射电子方向上的角度差异，我们可以高精度地确定时间延迟，”共同作者、SLAC科学家詹姆斯·克兰（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，在这些领域中，X射线与物质的相互作用至关重要。”

探索电子动力学

这项研究是计划中的一系列实验中的第一个，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种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。

“这是一个不断发展的领域，”合著者阿戈斯蒂诺·马里内利（Agostino Marinelli）说。“LCLS的灵活性使我们能够探测各种能量和分子系统，使其成为进行这类测量的有力工具。这只是我们在这些极端时间尺度上所能实现目标的开始。”

参考：“X射线分子电离中的阿秒延迟”，作者：Taran Driver、Miles Mountney、Jun Wang、Lisa Ortmann、Andre Al-Haddad、Nora Berrah、Christoph Bostedt、Elio G. Champenois、Louis F. DiMauro、Joseph Duris、Douglas Garratt、James M. Glownia、Zhaoheng Guo、Daniel Haxton、Erik Isele、Igor Ivanov、Jiabao Ji、Andrei Kamalov、Siqi Li、Ming-Fu Lin、Jon P. Marangos、Razib Obaid、Jordan T. O’Neal、Philipp Rosenberger、Niranjan H. Shivaram、Anna L. Wang、Peter Walter、Thomas J. A. Wolf、Hans Jakob Wörner、Zhen Zhang、Philip H. Bucksbaum、Matthias F. Kling、Alexandra S. Landsman、Robert R. Lucchese、Agapi Emmanouilidou、Agostino Marinelli 和 James P. Cryan，2024年8月21日，《自然》。DOI: 10.1038/s41586-024-07771-9

LCLS是美国能源部科学办公室的用户设施。