An den Grenzen des photoelektrischen Effektes Lichtwellenpaket als Elektronen-Schleuder - scinexx | Das Wissensmagazin
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An den Grenzen des photoelektrischen Effektes

Lichtwellenpaket als Elektronen-Schleuder

Photoionisation von Xenon: (a) klassischer photoelektrischer Effekt in der äußeren Elektronenschale bei niedriger Intensität, (b) Einfachionisation in der äußeren Elektronenschale durch hochintensive langwellige Laserstrahlung, (c) direkte Mehrfachionisation in der inneren 4d Elektronenschale durch hochintensive kurzwellige Röntgenlaserstrahlung. © PTB

Über den klassischen Photoeffekt hat Einstein 1905 bewiesen, dass Licht auch Teilchencharakter hat. Doch bei extrem hohen Lichtintensitäten geschehen dabei merkwürdige Dinge und die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie scheint anders zu sein, als bisher angenommen. Das haben jetzt deutsche Wissenschaftler in einer neuen Studie herausgefunden.

Die gängigen Modelle, die auf Einsteins Erkenntnis aufbauen, lauten vereinfacht so: Ein Photon schlägt aus einem Atom ein äußeres Elektron heraus, sofern seine Energie hoch genug ist. Doch bei Wellenlängen von nur 13 Nanometern und hohen Strahlungsintensitäten von mehreren Petawatt pro Quadratzentimeter passiert – zumindest bei manchen Atomen – etwas anderes: Bei Xenon scheint ein ganzes Lichtwellenpaket gleich eine Vielzahl von inneren Elektronen herauszuschlagen.

Dieser Effekt ist stark abhängig vom Material und nicht nur von der Art der anregenden Strahlung, wie bisher angenommen. Die neuen Erkenntnisse, die die Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zusammen mit Kollegen bei FLASH in Hamburg, dem weltweit ersten Freie-Elektronen-Laser (FEL) für weiche Röntgenstrahlung, im Fachblatt „Physical Review Letters“ vorstellen, haben grundlegende Bedeutung für zukünftige Experimente der Materialforschung an den großen neuen Röntgenlaseranlagen der Welt.

Spiegel für die EUV-Lithographie testen

Eigentlich wollten die Wissenschaftler bei ihren Experimenten nur Methoden zur radiometrischen Charakterisierung von Röntgenlasern entwickeln. Sie bestrahlten verschiedene Gase, um aus der ionisierenden Wirkung des Lasers verlässliche Rückschlüsse auf dessen Stärke zu ziehen. Das Ziel: mit dem schließlich gut charakterisierten Laser zum Beispiel Spiegel für die EUV-Lithographie zu testen. Die EUV-Lithographie – EUV steht für extremes Ultraviolett – mit Wellenlängen im Bereich von 13 Nanometern gilt als die Technik der Zukunft zur Herstellung von immer kleineren Computerchips.

Doch während ihrer Versuche bei FLASH, dem neuen Freie-Elektronen-Laser (FEL) in Hamburg, mit dem sich zurzeit EUV- und weiche Röntgenstrahlung in der weltweit höchsten Intensität erzeugen lässt, stießen sie unversehens auf Dinge, die die Grundlagen der Physik betreffen.

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Photon und Elektron in Wechselwirkung

Beim klassischen photoelektrischen Effekt tritt ein einzelnes Lichtteilchen (Photon) hinreichender Energie mit einem einzelnen Elektron der Materie in Wechselwirkung. Der Prozess wird durch die Einsteinsche Beziehung aus dem Jahr 1905 energetisch beschrieben und stellt einen Beleg für die Quantenstruktur des Lichtes dar.

Erst bei sehr hohen Intensitäten kommt es zur Multi-Photon-Ionisation, einem Prozess, der im Extremfall von hochintensiven ultrakurzen Lichtblitzen langwelliger Femtosekundenlaser wieder im Wellenbild des Lichtes beschrieben wird. Die entsprechenden theoretischen Modelle scheitern jedoch im kurzwelligen Röntgenbereich, wie die Experimente in Hamburg zeigen, bei denen erstmals im weichen Röntgengebiet Bestrahlungsstärken von mehreren Petawatt pro Quadratzentimeter durch starke Fokussierung erreicht wurden.

Wellenpaket von Photonen mit ungewöhnlicher Wirkung

Die vergleichenden quantitativen Studien belegen, dass der Grad der Wechselwirkung und dabei die Natur des Röntgenlichts maßgeblich durch die Struktur des Atoms und Korrelationen in vor allem inneren Elektronenschalen bestimmt werden. Im Extremfall (Xenon) scheint ein Wellenpaket von Photonen zur simultanen Emission von mehreren inneren Elektronen zu führen.

(idw – Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 28.04.2009 – DLO)

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