科學家借阿秒 X 射線脈衝讓光電效應現新象

能源部 SLAC 國家加速器實驗室的一組科學家發現了有關光電效應的新情況，這一現象在一個多世紀前首次由愛因斯坦所描述。他們的方法爲研究電子與電子的相互作用提供了新手段，這對包括半導體和太陽能電池在內的許多技術至關重要。

該結果於 8 月 21 日在《自然》雜誌上發表。

當一個原子或分子吸收一個光子時，其能夠在被稱爲光電效應的過程中發射一個電子。

愛因斯坦對光電效應（也稱爲光電離）的描述爲量子力學奠定了理論基礎。然而，這種效應的瞬時性質一直是深入研究和爭論的主題。

阿秒科學的最新進展爲解決光電離過程中所涉及的超快時間延遲問題提供了必要的工具。

“愛因斯坦因描述光電效應而獲得諾貝爾獎，但一百年後，我們纔剛剛開始真正理解其潛在的動態，”主要作者、SLAC 科學家塔蘭·德賴弗說道。

“我們的工作通過對 X 射線領域的這些延遲進行測量，標誌着向前邁出了重要的一步，這是此前從未實現過的壯舉。”

該團隊使用了來自 SLAC 的直線加速器相干光源（LCLS）的阿秒級 X 射線脈衝，其時長僅爲十億億分之一秒，來使核心能級電子電離。這個過程把電子從他們正在研究的分子中彈出。

然後，他們使用了一個單獨的激光脈衝，根據電子發射的時間把它們朝略微不同的方向踢開，以測量所謂的“光發射延遲”。

光發射延遲可以理解爲分子吸收光子到發射電子之間的時間。這些延遲長達 700 阿秒，明顯大於之前的預測，挑戰了現有的理論模型，併爲理解電子行爲開闢了新的途徑。研究人員還發現，電子之間的相互作用在這種延遲中發揮了重要作用。

“通過測量射出電子方向的角度差異，我們能夠高精度地確定時間延遲，”共同作者兼 SLAC 科學家詹姆斯·克萊恩（James Cryan）說道。

“測量和解釋這些延遲的能力能夠幫助科學家更好地分析實驗結果，特別是在蛋白質晶體學和醫學成像等領域，在這些領域中 X 射線與物質的相互作用至關重要。”

這項研究是一系列計劃實驗中的第一批實驗中的一個，旨在探索不同分子系統中電子動力學的深度。其他研究小組已經開始使用開發的技術來研究更大和更復雜的分子，揭示電子行爲和分子結構的新方面。

“這是一個正在發展的領域，”合著者阿戈斯蒂諾·馬裡內利（Agostino Marinelli）說。“LCLS 具有的靈活性讓我們能夠探測各種各樣的能量和分子系統，使它成爲進行這類測量的有力工具。這僅僅是我們在這些極端時間尺度上能夠取得成就的開端。”