С помощью классического фотоэффекта Эйнштейн в 1905 году доказал, что свет также имеет свойства частиц. Однако при чрезвычайно высокой интенсивности света в процессе происходят замечательные вещи. Ученые из Physikalisch-Technische Bundesanst alt (PTB) выяснили это вместе с коллегами из FLASH в Гамбурге, первого в мире лазера на свободных электронах (FEL) для мягкого рентгеновского излучения. Современные модели, основанные на идее Эйнштейна, описываются просто так: Фотон выбивает внешний электрон из атома при условии, что энергия фотона достаточно высока.
Однако при длинах волн всего 13 нанометров и высоких интенсивностях излучения в несколько петаватт на квадратный сантиметр происходит кое-что другое - по крайней мере, с некоторыми атомами: с ксеноном целый пакет световых волн сразу же выбивает огромный количество внутренних электронов. Этот эффект сильно зависит от материала, а не только от характеристик возбуждающего излучения, как считалось ранее. Работа, которая в настоящее время опубликована в журнале Physical Review Letters, имеет значение для будущих экспериментов по исследованию материалов на новых крупных рентгеновских лазерных установках в мире.
На самом деле ученые хотели разработать методы радиометрической характеристики рентгеновских лазеров. Они облучали различные газы, чтобы получить силу лазера за счет эффекта ионизации. Цель: с хорошо охарактеризованным лазером было, например, тестирование зеркал EUV для литографии. Литография EUV (EUV означает крайний ультрафиолет) на длинах волн в диапазоне 13 нанометров считается технологией будущего для производства все более компактных компьютерных чипов.
Однако во время своих экспериментов на FLASH, новом лазере на свободных электронах (FEL) в Гамбурге, который в настоящее время позволяет генерировать EUV-излучение и мягкое рентгеновское излучение самой высокой интенсивности в мире, они неожиданно обнаружили вещи которые касаются основ физики.
При классическом фотоэлектрическом эффекте (а) одна световая частица (фотон) достаточной энергии взаимодействует с одним электроном материала. Процесс энергетически описывается уравнением Эйнштейна (1905 г.) и демонстрирует квантовую структуру света. Только при очень высоких интенсивностях происходит многофотонная ионизация, процесс, который описывается в предельном случае очень интенсивных ультракоротких световых вспышек, испускаемых длинноволновыми фемтосекундными лазерами, опять же, в волновой картине света (б). Тем не менее, подходящие теоретические модели не работают в режиме коротковолнового рентгеновского излучения, как показали эксперименты в Гамбурге, в которых впервые удалось достичь уровней излучения мягкого рентгеновского излучения в несколько петаватт на квадратный сантиметр за счет сильной фокусировки луча. Сравнительные количественные исследования доказывают, что степень взаимодействия света с веществом и, тем самым, характер рентгеновского излучения в решающей степени определяются строением атома и корреляциями, прежде всего, во внутренних электронных оболочках. В предельном случае (ксенон) кажется, что целый волновой пакет фотонов приводит к одновременному испусканию нескольких внутренних электронов (c).
Работа, финансируемая Немецким исследовательским фондом (DFG), выполнена в рамках научного сотрудничества между PTB, Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) в Гамбурге и Институтом Иоффе в Санкт-Петербурге. Такие исследования взаимодействия света и вещества с высокой интенсивностью и короткими длинами волн имеют фундаментальное значение для будущих экспериментов по исследованию материалов на новых и будущих крупных рентгеновских лазерных установках в США (LCLS в Стэнфорде), Японии (SCSS в Spring8), и Европа (FLASH и XFEL в Гамбурге).