За границами фотоэлектрического эффекта

Рассматривая классический фотоэффект, Эйнштейн доказал в 1905 г., что свет имеет корпускулярные свойства. Однако при крайне высоких интенсивностях в этом процессе были обнаружены замечательные вещи. Их открыли ученые из Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) на FLASH, первом лазере на свободных электронах, излучающем в мягком рентгеновском диапазоне.

Современные модели, базирующиеся на эйнштейновской идее, в упрощенном виде описываются следующим образом: фотон выбивает внешний электрон атома, если его энергия превышает энергию связи электрона.

Однако при длине волны 13 нм и интенсивности излучения в несколько петаватт на кв. см случается нечто еще, по крайней мере, для некоторых атомов. Создается впечатление, что в случае ксенона целый волновой пакет выбивает огромное количество внутренних электронов. Эффект сильно зависит от материала, а не только от характеристик возбуждающего излучения, как считалось прежде.

На самом деле ученые стремились создать методы для радиометрической классификации рентгеновских лазеров. Они облучали различные газы, чтобы определить «силу» лазера по ионизационному эффекту. Классификация лазеров была бы полезной при тестировании литографических зеркал в крайней ультрафиолетовой области спектра, поскольку использование света с длиной волны 13 нм рассматривалось как перспективная технология для производства все меньших компьютерных чипов. Однако при экспериментах на FLASH в Гамбурге они неожиданно открыли эффекты, которые относятся к области фундаментальной физики.

В картине классического фотоэффекта один фотон с достаточно высокой энергией взаимодействует с одним электроном атома. С энергетических позиций процесс описывается уравнением Эйнштейна и демонстрирует квантовую структуру света. Только в крайних случаях высокоинтенсивных ультракоротких световых импульсов, излучаемых длинноволновым фемтосекундным лазером, встречается многофотонная ионизация, процесс, который снова описывается волновыми свойствами света. Тем не менее, как показали эксперименты в Гамбурге,в которых впервые был достигнут уровень нескольких петаватт на км. см, в случае коротковолнового рентгеновского излучения подходящая теоретическая модель отсутствует.

Сравнительное количественное изучение показало, что степень взаимодействия свет-материя и, таким образом, природа рентгеновских лучей в сильной степени определяется структурой атома и корреляцией на внутренних электронных оболочках. В крайнем случае (ксенон) складывается впечатление, что целый волновой пакет фотонов приводит к одновременной эмиссии нескольких внутренних электронов.