Ученые крупнейшего национального научно-исследовательского института в области естественных и инженерных наук Германии показали, что взаимодействие сверхкоротковолнового излучения высокой интенсивности с материей отличается от классического описания фотоэффекта.

В соответствии с законами традиционного фотоэффекта, открытыми Эйнштейном еще в 1905 году, фотон, обладающий достаточно высокой энергией, «выбивает» из атома один электрон с внешней орбиты. Исследователи Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) показали, что это не всегда так. Облучая атомы ксенона рентгеновским излучением с длиной волны 13 нм и плотностью мощности в несколько петаватт (1 петаватт равен 10¹⁵ ватт) на квадратный сантиметр, германские ученые получили удивительный результат: фотоны «выбивают» из атомов газа огромное количество внутренних электронов. Иссследователи также установили, что этот эффект также строго зависит от облучаемого материала, а не только от параметров пучка излучения, как это считалось ранее. Результаты работы находятся в публикации в журнале Physical Review Letters (Extreme ultraviolet laser excites atomic giant resonance. M. Richter et al., Phys. Rev. Lett. April 2009) и могут иметь огромное значение для будущих экспериментов по исследованию материалов с использованием мощных рентгеновских лазеров.

Исследователи, на самом деле, работали над методами радиометрической характеризации рентгеновских лазеров и использовали новый лазер на свободных электронах (FEL) в Гамбурге, когда совершенно неожиданно обнаружили этот новый эффект. Они облучали различные виды газов с целью определения зависимости между мощностью лазера и эффектом ионизации. Задача весьма современная, поскольку хорошо откалиброванный лазер необходим в процессах ультафиолетовой литографии нового поколения, где именно лазерное излучение с длиной волны 13 нм рассматривается как наиболее перспективное.

Фотоионизация ксенона: a) классический фотоэффект на внешних уровнях при низкой интенсивности фотонов; b) ионизация мощным длинноволновым излучением; c) ионизация коротковолновым рентгеновским излучением высокой интенсивности. (Изображение: Physikalisch-Technische Bundesanstalt)

В соответствии с классическим фотоэффектом при облучении материала пучком излучения, одиночный фотон достаточной энергии взаимодействует с одиночным электроном материала. Процесс этот, как известно, демонстрирует и подтверждает квантовую природу света. Известно также, что при очень высоких интенсивностях короткоимпульсного (фемтосекунды) длинноволнового излучения может происходить многофотонная ионизация. Однако, как показали эксперименты в Гамбурге, где впервые была достигнута плотность мощности на уровне нескольких петаватт на квадратный сантиметр, в мягком рентгеновском диапазоне длин волн классическая теоретическая модель фотоэффекта может оказаться неверной.

Сравнительные количественные исследования различных материалов показали, что глубина взаимодействия между излучением и веществом существенно зависит от структуры атомов этого вещества и корреляции между внутренними электронными оболочками. В экстремальном случае (ксенон), воздействие пакета фотонов в коротком импульсе приводит, по всей видимости, к одновременной эмиссии множества электронов с внутренних оболочек.

Работа финансировалась Фондом научных исследований Германии (German Research Foundation) и проводилась в кооперации между PTB, синхротронным центром в Гамбурге (DESY) и Физико-техническим институтом им. Иоффе из Санкт Петербурга.

Евгений Биргер