科学家借阿秒 X 射线脉冲让光电效应现新象

能源部 SLAC 国家加速器实验室的一组科学家发现了有关光电效应的新情况，这一现象在一个多世纪前首次由爱因斯坦所描述。他们的方法为研究电子与电子的相互作用提供了新手段，这对包括半导体和太阳能电池在内的许多技术至关重要。

该结果于 8 月 21 日在《自然》杂志上发表。

当一个原子或分子吸收一个光子时，其能够在被称为光电效应的过程中发射一个电子。

爱因斯坦对光电效应（也称为光电离）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深入研究和争论的主题。

阿秒科学的最新进展为解决光电离过程中所涉及的超快时间延迟问题提供了必要的工具。

“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理解其潜在的动态，”主要作者、SLAC 科学家塔兰·德赖弗说道。

“我们的工作通过对 X 射线领域的这些延迟进行测量，标志着向前迈出了重要的一步，这是此前从未实现过的壮举。”

该团队使用了来自 SLAC 的直线加速器相干光源（LCLS）的阿秒级 X 射线脉冲，其时长仅为十亿亿分之一秒，来使核心能级电子电离。这个过程把电子从他们正在研究的分子中弹出。

然后，他们使用了一个单独的激光脉冲，根据电子发射的时间把它们朝略微不同的方向踢开，以测量所谓的“光发射延迟”。

光发射延迟可以理解为分子吸收光子到发射电子之间的时间。这些延迟长达 700 阿秒，明显大于之前的预测，挑战了现有的理论模型，并为理解电子行为开辟了新的途径。研究人员还发现，电子之间的相互作用在这种延迟中发挥了重要作用。

“通过测量射出电子方向的角度差异，我们能够高精度地确定时间延迟，”共同作者兼 SLAC 科学家詹姆斯·克莱恩（James Cryan）说道。

“测量和解释这些延迟的能力能够帮助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。”

这项研究是一系列计划实验中的第一批实验中的一个，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开发的技术来研究更大和更复杂的分子，揭示电子行为和分子结构的新方面。

“这是一个正在发展的领域，”合著者阿戈斯蒂诺·马里内利（Agostino Marinelli）说。“LCLS 具有的灵活性让我们能够探测各种各样的能量和分子系统，使它成为进行这类测量的有力工具。这仅仅是我们在这些极端时间尺度上能够取得成就的开端。”