アト秒X線パルスを使用して、光電効果に新たな光を当てる

September, 9, 2024, Menlo Park--エネルギー省のSLAC国立加速器研究所の科学者チームは、1世紀以上前にアインシュタインによって最初に記述された現象である光電効果に関する新しい情報を明らかにした。その方法は、半導体や太陽電池など、多くの技術の基礎となる電子-電子相互作用を研究するための新しいツールを提供する。その結果は、Natureに公開された。

原子または分子が光子を吸収すると、光電効果として知られるプロセスで電子を放出できる。アインシュタインの光電効果の説明は、光イオン化とも呼ばれ、量子力学の理論的基礎を築いた。しかし、この効果の瞬間的な性質は、真剣な研究と議論のトピックだった。近年のアト秒科学の進歩により、光イオン化に伴う超高速の時間遅延を解決するために必要なツールが提供されている。

「アインシュタインは光電効果の記述でノーベル賞を受賞したが、100年後、われわれはその根底にあるダイナミクスを真に理解し始めたばかりである。われわれの研究は、X線領域におけるこれらの遅延を測定することで、大きな前進を示している。これは、これまでに達成されたことのない偉業である」と、筆頭著者でSLACの科学者、Taran Driverはコメントしている。

チームは、SLACのリニアックコヒーレント光源(LCLS)からのアト秒X線パルスを使用して、わずか数十億分の1秒の長さで、コアレベルの電子をイオン化した。このプロセスにより、チームが研究していた分子から電子が放出された。次に、電子を放出する時間によってわずかに異なる方向に蹴り出す別のレーザパルスを使用して、いわゆる「光電子遅延」を測定した。

光電子遅延は、分子が光子を吸収してから電子を放出するまでの時間と考えることができる。この遅延は最大700アト秒に達し、これまでの予測よりも大幅に大きく、既存の理論モデルに挑戦し、電子の振る舞いを理解するための新たな道を切り開いた。チームはまた、電子間の相互作用がこの遅延に重要な役割を果たしていることを発見した。

「放出された電子の方向の角度差を測定することで、時間遅延を高精度で決定することができた。これらの遅延を測定して解釈する能力は、特にタンパク質結晶構造解析や医用画像などの分野で、X線と物質との相互作用が重要な分野で、科学者が実験結果をより適切に分析するのに役立つ」と、共著者で、SLACの科学者James Cryanは、話している。

この研究は、様々な分子システムにおける電子ダイナミクスの深さを探求することを目的とした計画された一連の実験の最初の1つである。他の研究グループは、すでに開発された技術を使用して、より大きく複雑な分子を研究し始めており、電子の振る舞いと分子構造の新しい側面を明らかにしている。

「これは発展途上の分野である。LCLSの柔軟性により、幅広いエネルギーや分子システムを調査できるため、この種の測定を行うための強力なツールとなっている。これは、このような極端な時間スケールで達成できることの始まりに過ぎない」と共著者、Agostino Marinelliは話している。