Bis dato war die Zeit­ein­heit eines Quan­ten­sprungs unbe­kannt. For­schern der TU-Wien ist es nun gelun­gen, die exakte Dauer die­ses berühm­ten pho­to­elek­tro­ni­schen Effekts zu mes­sen und eine Ver­öf­fent­li­chung im inter­na­tio­nal renom­mier­ten Wis­sen­schafts-Jour­nal „Nature“ zu erreichen.

Auch his­to­risch gese­hen war es eines der ent­schei­den­den Expe­ri­mente in der Quan­ten­phy­sik – der Moment, wenn Licht auf bestimmte Mate­ria­lien fällt und sodann Elek­tro­nen aus der Ober­flä­che her­aus­ge­löst wer­den. Albert Ein­stein konnte die­ses Phä­no­men 1905 erst­mals erklä­ren, er sprach von „Licht­quan­ten“, den kleins­ten Ein­hei­ten des Lichts, die wir heute Pho­to­nen nennen.
Das Elek­tron absor­biert dabei in win­zi­gen Bruch­tei­len von Sekun­den­bruch­tei­len ein Pho­ton und „springt“ dabei in einen ande­ren Zustand, in dem es die Ober­flä­che des Mate­ri­als ver­las­sen kann. Die­ser soge­nannte pho­to­elek­tri­sche Effekt läuft jedoch so schnell ab, dass man ihn bis­her meist als instantan betrach­tete, eine plötz­li­che Zustands­än­de­rung, von einem Augen­blick zum nächsten.
Neue Mess­me­tho­den sind nun aller­dings so prä­zise, dass es aktu­ell mög­lich wurde, den Ablauf eines sol­chen Pro­zes­ses zu beob­ach­ten und seine Dauer genau zu ver­mes­sen. Ein Team der TU Wien ermit­telte gemein­sam mit For­schungs­grup­pen aus Gar­ching, Mün­chen und Ber­lin die Dauer der Quan­ten­sprünge von Elek­tro­nen einer Wolf­ram-Ober­flä­che. Ver­öf­fent­licht wur­den Die Ergeb­nisse wur­den nun auch im wis­sen­schaft­lich pro­mi­nen­ten Fach­jour­nal „Nature“ veröffentlicht.

Atto­se­kun­den oder Mil­li­ards­tel einer Milliardstelsekunde
Der pho­to­elek­tri­sche Effekt spielt in vie­len tech­ni­schen Berei­chen eine rele­vante Rolle, etwa in Solar­zel­len oder bei der Umwand­lung von Daten aus dem Glas­fa­ser­ka­bel in elek­tri­sche Signale. Er ereig­net sich auf eine Zeit­skala im Atto­se­kun­den­be­reich, das sind Mil­li­ards­tel einer Milliardstelsekunde.
„Mit Hilfe ultra­kur­zer Laser­pulse gelang es in den letz­ten Jah­ren, einen Ein­blick in den zeit­li­chen Ablauf sol­cher Effekte zu bekom­men“, erklärt Joa­chim Burg­dör­fer vom Insti­tut für Theo­re­ti­sche Phy­sik der TU Wien. „Wir konn­ten etwa gemein­sam mit unse­ren Kol­le­gen aus Deutsch­land den Zeit­ab­stand zwi­schen ver­schie­de­nen Quan­ten­sprün­gen bestim­men und zei­gen, dass unter­schied­li­che Quan­ten­sprünge unter­schied­lich lange dauern.“
Aller­dings konnte man bis­her nur Zeit­dif­fe­ren­zen, nicht aber die abso­lute Zeit­dauer ermit­teln. Es ist sehr schwer eine „Uhr“ zu fin­den, die exakt zu Beginn des Quan­ten­sprungs zu ticken beginnt. Genau das ist nun durch die Kom­bi­na­tion von meh­re­ren Expe­ri­men­ten, Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen und theo­re­ti­schen Berech­nun­gen mög­lich geworden.

Drei „selbst gebaute“ ato­mare Uhren
Um eine abso­lute, fest geeichte Ver­gleichs­skala zu haben, wur­den zunächst Elek­tro­nen unter­sucht, die mit Hilfe von Lasern aus Helium-Ato­men her­aus­ge­ris­sen wer­den. „Durch die ein­fa­che Bau­weise des Helium-Atoms kann hier der zeit­li­che Ablauf der Pho­to­emis­sion exakt berech­net wer­den. Für kom­pli­zier­tere Objekte wie Metall­ober­flä­chen, wäre das selbst mit den bes­ten Super­com­pu­tern der Welt nicht mög­lich“, erklärt Chris­toph Lemell.
Die Helium-Atome ver­wen­dete man dar­auf­hin als Refe­renz-Uhr, um in einem zwei­ten Expe­ri­ment die Pho­to­emis­sion von Helium und Iod zu ver­glei­chen und so auch die „Iod-Uhr“ zu eichen. Im drit­ten und letz­ten Schritt konnte man schließ­lich die Iod-Atome ver­wen­den, um den tat­säch­lich gesuch­ten Effekt zu stu­die­ren – näm­lich die Pho­to­emis­sion von Elek­tro­nen aus einer Wolfram-Oberfläche.
Man brachte die Iod-Atome auf Wolf­ram auf und beschoss die Ober­flä­che mit ultra­kur­zen Laser­pul­sen. Die Iod-Atome dien­ten dabei als Refe­renz mit der man die Pho­to­emis­sion aus der Wolf­ram-Ober­flä­che mes­sen konnte.
„Bei Wolf­ram lässt sich die Dauer die­ses Vor­gangs beson­ders gut unter­su­chen, weil sich dort die Grenz­flä­che des Mate­ri­als beson­ders genau defi­niert lässt“, so Flo­rian Libisch. „Die Wolf­ram-Ober­flä­che ist eine aus­ge­zeich­nete Ziel­li­nie für die Elektronen-Zeitmessung.

Bis­her unvor­stell­bare Einblicke
Die Dauer des Pho­to­emis­si­ons-Pro­zes­ses hängt vom Anfangs­zu­stand der Elek­tro­nen ab. Sie rei­chen von 100 Atto­se­kun­den für Elek­tro­nen aus den inne­ren Scha­len der Wolf­ram-Atome bis zu 45 Atto­se­kun­den für Lei­tungs­elek­tro­nen, die im Mit­tel die Ziel­li­nie schnel­ler pas­sie­ren. Die Mes­sun­gen wur­den am Max Planck Insti­tut für Quan­ten­op­tik in Gar­ching (D) durch­ge­führt. Flo­rian Libisch, Chris­toph Lemell und Joa­chim Burg­dör­fer von der TU-Wien waren für die theo­re­ti­schen Arbei­ten und die Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen zuständig.
Das Ziel des For­schungs­pro­jekts liegt aller­dings nicht alleine im Ver­mes­sen der Dauer eines Quan­ten­ef­fekts : „Es ist ein span­nen­des For­schungs­ge­biet mit vie­len neuen Ein­bli­cke – in die Ober­flä­chen­phy­sik, aber auch in Elek­tro­nen-Trans­port­vor­gänge im Inne­ren von Mate­ria­lien“, unter­streicht TU-For­scher Joa­chim Burg­dör­fer. „Wir kön­nen wich­tige phy­si­ka­li­sche Vor­gänge mit einer Genau­ig­keit stu­die­ren, die vor eini­gen Jah­ren noch unvor­stell­bar gewe­sen wäre.“