Photoeffekt funktioniert bei extrem energiereicher Strahlung anders als bislang gedacht

Albert Einstein hat 1905 durch die einfache Beschreibung des klassischen Photoeffekts einen Beleg für die Quantenstruktur des Lichtes erbracht – und dafür den Nobelpreis für Physik des Jahres 1921 erhalten. Doch bei extrem hohen Lichtintensitäten geschehen beim Photoeffekt merkwürdige Dinge. Das haben Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zusammen mit Kollegen bei FLASH in Hamburg, dem weltweit ersten Freie-Elektronen-Laser (FEL) für kurzwellige ultraviolette, laserlichtartige (kohärente) Strahlung, herausgefunden.

Drei Formen des Photoeffekts
Drei Formen des Photoeffekts

Berlin/Hamburg/Braunschweig - Bei den Experimenten in Hamburg wurden erstmals Bestrahlungsstärken von mehreren Petawatt pro Quadratzentimeter im weichen Röntgenbereich durch starke Fokussierung der Strahlung erreicht. Zum Vergleich: Die Stärke des Sonnenlichts, das die Erde erreicht ist mit Tausend Watt pro Quadratmeter 10 Billiarden mal geringer. Bei dieser weltweit höchsten Intensität weicher Röntgenstrahlung stießen die Wissenschaftler auf Dinge, die die Grundlagen der Physik betreffen:

Nach gängigen Modellen des klassischen Photoeffekts schlägt ein einzelnes Lichtteilchen (Photon) ein äußeres Elektron aus einem Atom heraus, sofern seine Energie hoch genug ist (Abb. a). Dies ist der experimentelle Beweis dafür, dass Licht seine Energie nur in Paketen abgeben kann, wobei die Paketgröße nur von der Wellenlänge, also der Farbe des Lichts abhängt. Erst bei sehr hohen Intensitäten langwelliger Laserstrahlung kommt es zur Multi-Photon-Ionisation. Dabei wird ebenfalls ein Elektron der äußeren Schale aus seiner Bindung zum Atom gelöst, dadurch dass es mehrere Photonen geringer Energie gleichzeitig aufnimmt (Abb. b). Nur bei extrem hohen Intensitäten ist die Wahrscheinlichkeit hoch genug, dass wirklich gleichzeitig zwei Photonen mit eigentlich zu geringer Energie auf das Atom treffen.

Im kurzwelligen Röntgenbereich jedoch scheitern die theoretischen Modelle: Bei Wellenlängen von nur 13 Nanometern und den extrem hohen Strahlungsintensitäten passiert – zumindest bei manchen Atomen – etwas anderes: Ein ganzes Lichtwellenpaket scheint gleich eine Vielzahl von inneren Elektronen herauszuschlagen. Dieser Effekt ist stark abhängig vom Material und nicht nur von der Art der anregenden Strahlung. Der Grad dieser Wechselwirkung wird dabei maßgeblich durch die Struktur des Atoms vor allem in inneren Elektronenschalen bestimmt. Im Extremfall des Xenons scheint ein Wellenpaket von Photonen zur simultanen Emission von mehreren inneren Elektronen zu führen (Abb. c).

Diese starke Korrelation von Elektronen kann durch eine kollektive Bewegung – eine Art Gruppendynamik – der Elektronen auf einer der inneren Schalen beschrieben werden. Durch das oszillierende, also schwingende, Feld der elektromagnetischen Welle – des Lichts –, werden einzelne Elektronen aus dem Verbund gelöst. Dieser Mechanismus ist vergleichbar mit sogenannten Riesenresonanzen von Protonen und Neutronen im Atomkern.

Die Anwendung dieser Erklärung auf hohe Strahlungsintensitäten kann die experimentellen Ergebnisse für Xenon erklären: Durch höhere Amplituden der Oszillation, also stärkere Bewegung des Elektronenverbundes, können mehrere Elektronen gleichzeitig das Atom verlassen.

Die Wissenschafter hoffen jedoch darauf mit ihren Experimenten weitere theoretische Untersuchungen anzustoßen, vor allem in Hinblick auf die kollektiven Effekte bei der Wechselwirkung von Materie mit extrem energiereicher Strahlung.

Eigentlich wollten die Wissenschaftler nur Methoden zur radiometrischen Charakterisierung, also zur Vermessung der Eigenschaften, 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.