Bei der Umwandlung von Licht in Strom, wie zum Beispiel in Solarzellen, geht ein Großteil der eingebrachten Lichtenergie verloren. Ursache ist das Verhalten der Elektronen im Inneren von Materialien. Trifft Licht auf ein Material, regt es Elektronen für den Bruchteil einer Sekunde energetisch an, bevor diese die Energie wieder an die Umgebung abgeben. Schon der Physiker Albert Einstein beschrieb im Jahr 1905 diesen photoelektrischen Effekt. Doch was während dieser extrem kurzen Phase der Anregung genau geschieht und wie sich die Elektronen dann unter Energieabgabe wieder im Grundzustand einpendeln, blieb lange Zeit ein Geheimnis. Die Vorgänge waren schlicht zu schwer erkennbar und schnell, um direkt beobachtet zu werden. Dank moderner Lasertechnik, die immer kürzere Pulse und ganz neue Abbildungstechniken ermöglicht, hat sich dies aber geändert. Vor Kurzem erst ist es Physikern gelungen, die Dauer des photoelektrischen Effekts erstmals genau zu messen.
Elektronenbewegung im Graphit gefilmt
Jetzt ist es einem Team unter der Leitung von Michael Bauer von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel gelungen, das Verhalten der Elektronen bei diesem Effekt erstmals zu filmen. Sie konnten den Energieaustausch von angeregten Elektronen des Graphits mit ihrer Umgebung in Echtzeit untersuchen und dabei einzelne Phasen unterscheiden. Für ihr Experiment bestrahlten die Forscher eine Graphitprobe zunächst mit einem intensiven Laserpuls von nur sieben Femtosekunden Dauer – das entspricht sieben Billiardstel Sekunden. Die auftreffenden Photonen des Laserlichts regten einige Elektronen der Kohlenstoffatome im Graphit an. Was dann geschah, filmten die Wissenschaftler mithilfe einer zeitlich extrem hochauflösenden Version der Photoemission-Spektroskopie. Dabei löst ein zweiter, zeitverzögerter Lichtimpuls einen Teil der Elektronen ganz aus dem Graphit heraus. Ihre detaillierte Analyse lässt Rückschlüsse auf die elektronischen Eigenschaften des Materials nach der ersten Lichtanregung zu.
Eine spezielle, an der Kieler Universität entwickelte Kamera filmt, wie die eingebrachte Lichtenergie sich über das Elektronensystem verteilt. Die Besonderheit ist dabei die extrem hohe Zeitauflösung dieser Kamera von dreizehn Femtosekunden. Sie macht sie zu einer der schnellsten Elektronen-Kameras weltweit, wie die Forscher erklären. “Dank der extrem kurzen Dauer der verwendeten Lichtimpulse sind wir in der Lage, ultraschnelle Prozesse live zu filmen. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass hier überraschend viel passiert”, sagt Bauer.
