Физики разобрались с распределением импульса фотонов при ионизации

Немецкие ученые выяснили, как делится импульс фотонов между ионом и электроном при ионизации. Оказалось, что в режиме сильного поля, то есть когда величина электрического поля лазерного луча сравнима с электростатическим полем, связывающим электроны с ядром, ключевую роль в процессе играет магнитная компонента света. В результате электрон получает дополнительный импульс, пишут авторы в журнале Nature Physics.

Когда фотон взаимодействует с атомом, то энергия света передается электрону и в случае ее достаточно высокого значения электрон покидает атом — происходит ионизация. Если облучать светом некоторые материалы, то можно добиться постоянного испускания частиц. Это явление, называемое фотоэффектом, подробно изучали многие ученые конца XIX — начала XX века, в том числе Александр Столетов, а также Альберт Эйнштейн, который за свои работы в этой области получил Нобелевскую премию по физике.

Однако в области взаимодействия фотонов с атомами остаются нерешенные вопросы. В частности, в последние 30 лет теоретики спорили о том, как распределяется импульс фотона при ионизации. Обычно используется дипольное приближение, в принципе пренебрегающее импульсом фотона, который, несмотря на нулевую массу покоя, обладает количеством движения, равным отношению его энергии к скорости света. В большинстве случаев это оправдано, так как импульс фотона чаще всего на 3-4 порядка меньше импульсов испускаемого электрона и атома.

С точки зрения корпускулярного взгляда на свет, импульс фотона отвечает за давление излучения и в случае его игнорирования распределение импульсов вылетающих электронов должно быть строго симметричным относительно направления ионизирующих лучей. Если рассматривать свет как волну, то дипольное приближение не принимает во внимание магнитную компоненту света и пространственную неоднородность электромагнитных колебаний. В любом случае эти эффекты, как правило, чрезвычайно малы, так что измерить производимый ими эффект очень сложно.

Физики из Германии под руководством Райнхарда Дёрнера (Reinhard Dörner) из Франкфуртского университета имени Иоганна Вольфганга Гёте при помощи новой установки смогли измерить передачу импульса фотона электрону и атому в процессе ионизации. Авторы подтвердили предложенную недавно теоретическую идею, согласно которой в сильном поле электрон получает дополнительный импульс, и опровергли альтернативные концепции.

Согласно простейшему классическому подходу ионизацию можно рассмотреть как двустадийный процесс: сперва энергия фотона тратится на преодоления потенциала ионизации, причем соответствующий ей импульс передается центру масс системы, то есть фактически ядру атома, а затем электрон ускоряется полем волны независимо от оставшегося иона.

Физики работали с туннельной ионизацией в режиме сильного поля. В таком случае электрон туннелирует сквозь потенциальный барьер, создаваемый суперпозицией атомного электростатического потенциала и сравнимной по силе электрической компоненты лазерного излучения. Такое происходит при одновременном поглощении нескольких фотонов, поэтому физики описывали результаты с помощью усредненных значений их импульсов.

Эксперимент показал сложное взаимодействие, так как электрон помимо «классической» части импульса также получал треть значения, которое должно было достаться иону. Авторы связывают это именно с влиянием магнитного поля света.

В опытах ученые использовали усовершенствованную установку COLTRIMS (Collision Optical Laser Testing Reaction Interacting Momentum System — столкновительная оптическая лазерная система для испытания взаимодействующих импульсов), которая позволяет ионизировать лазером отдельные ионы и точно измерять импульсы получающихся частиц. Для обеспечения чистоты эксперимента исследователи облучали атомы с двух сторон, причем сперва попеременно, а потом одновременно. Это позволило избавиться от возможной асимметрии, связанной с неточностью установки.

Ученые отмечают, что помимо фундаментального интереса, их работа также позволяет лучше понять другие процессы, происходящие в режиме сильного поля, такие как генерация высоких гармоник, фотоэлектронная голография, визуализация молекул при помощи лазеров и другие.

Ранее физики предложили использовать генерацию высоких гармоник для измерения кольцевых токов молекул, впервые создали динамически закрученный свет и изобрели лазер на органическом диоде с накачкой током.

Тимур Кешелава