Überraschende Dynamik beim Photoeffekt

In Solarzellen werden Elektronen mithilfe von Sonnenlicht in Halbleitermaterialien wie Silizium freigesetzt, was einen elektrischen Stromfluss ermöglicht. Physiker berichten nun in der Fachzeitschrift „Science“, dass der zugrunde liegende Photoeffekt mit einer verblüffenderen Dynamik abläuft als bisher gedacht. Sie analysierten die Bewegung von freigesetzten Elektronen mit extrem kurzen Laserblitzen und legen damit die Grundlage für ein detaillierteres Verständnis des Photoeffekts.

Bunter Kugelhaufen, der von einem grünen Teilchenstrahl durchzogen wird
Photoeffekt in Halbleitern

Für ihre Experimente verwendeten Fabian Siek von der Universität Bielefeld und seine Kollegen einen Halbleiter aus Wolframselenid. Aus diesem Material schlugen sie mit ultravioletten Lichtpulsen vier Elektronen von verschiedenen Flugbahnen um die Atomkerne der kristallinen Verbindung – den Orbitalen – heraus. Dabei variierte die kinetische Energie der Photoelektronen abhängig von ihrem Ursprung deutlich zwischen 32,2 und 87 Elektronenvolt. Nach jeder dieser Anregungen folgte ein zweiter, extrem kurzer infraroter Laserpuls innerhalb weniger Attosekunden – eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde. Über die Wechselwirkung des Lichts mit den Elektronen konnte die Bewegung der Elektronen ermittelt werden.

Diese Methode der Kurzzeitspektroskopie mit Attosekundenpulsen zeigte, dass sich gerade die schnellsten Elektronen noch für extrem kurze Zeit um die Atome des Kristalls bewegten, bevor sie etwas verzögert wegflogen. Langsamere Elektronen dagegen trennten sich deutlich schneller von den Atomen. Die Ursache dafür sehen die Physiker in einer Wechselwirkung zwischen den Atomen des Kristalls. Dabei spielte der Drehimpuls, der lokal auf die jeweiligen Elektronen vor dem Herausschlagen wirkte, eine wichtige Rolle. Je größer dieser Drehimpuls war, desto größer war die kinetische Energie der Elektronen und umso länger bewegten sie sich um die Atome im Kristallgitter.

Nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Bewegungen von Photoelektronen hängen also stark von der jeweiligen Ausgangsposition ab. „Die Dynamik des Photoeffekts wird mit den üblichen Modellen nicht komplett und korrekt erfasst“, so die Wissenschaftler. Weitere Experimente mit extrem kurzen Attosekundenpulsen und vor allem eine detaillierte theoretische Betrachtung dieses Phänomens könnten in Zukunft zu einer genaueren und damit auch korrekteren Beschreibung des Photoeffekts führen.