Німецькі вчені з'ясували, як ділиться імпульс фотонів між іоном і електроном при іонізації. Виявилося, що в режимі сильного поля, тобто коли величина електричного поля лазерного променя порівнянна з електростатичним полем, що зв'язує електрони з ядром, ключову роль у процесі відіграє магнітна компонента світла. У результаті електрон отримує додатковий імпульс, пишуть автори в журналі.
Коли фотон взаємодіє з атомом, то енергія світла передається електрону і в разі її досить високого значення електрон залишає атом - відбувається іонізація. Якщо опромінювати світлом деякі матеріали, то можна домогтися постійного випускання частинок. Це явище, зване фотоефектом, детально вивчали багато вчених кінця XIX - початку XX століття, в тому числі Олександр Столетов, а також Альберт Ейнштейн, який за свої роботи в цій галузі отримав Нобелівську премію з фізики.
Однак у галузі взаємодії фотонів з атомами залишаються невирішені питання. Зокрема, в останні 30 років теоретики сперечалися про те, як розподіляється імпульс фотона при іонізації. Зазвичай використовується дипольне наближення, в принципі нехтує імпульсом фотона, який, незважаючи на нульову масу спокою, володіє кількістю руху, рівним відношенню його енергії до швидкості світла. У більшості випадків це виправдано, так як імпульс фотона найчастіше на 3-4 порядку менше імпульсів електрона, що випускається, і атома.
З точки зору корпускулярного погляду на світло, імпульс фотона відповідає за тиск випромінювання і в разі його ігнорування розподіл імпульсів електронів, що вилітають, має бути строго симетричним щодо напрямку іонізуючих променів. Якщо розглядати світло як хвилю, то дипольне наближення не бере до уваги магнітну компоненту світла і просторову неоднорідність електромагнітних коливань. У будь-якому випадку ці ефекти, як правило, надзвичайно малі, так що виміряти вироблений ними ефект дуже складно.
Фізики з Німеччини під керівництвом Райнхарда Дьорнера (Reinhard Dörner) з Франкфуртського університету імені Йоганна Вольфганга Гете за допомогою нової установки змогли виміряти передачу імпульсу фотону електрону і атому в процесі іонізації. Автори підтвердили запропоновану нещодавно теоретичну ідею, згідно з якою в сильному полі електрон отримує додатковий імпульс, і спростували альтернативні концепції.
Згідно з найпростішим класичним підходом іонізацію можна розглянути як двустадійний процес: спершу енергія фотона витрачається на подолання потенціалу іонізації, причому відповідний їй імпульс передається центру мас системи, тобто фактично ядру атома, а потім електрон прискорюється полем хвилі незалежно від залишився іона.
Фізики працювали з тунельною іонізацією в режимі сильного поля. У такому випадку електрон тунелює крізь потенційний бар'єр, створюваний суперпозицією атомного електростатичного потенціалу і порівнянної за силою електричної компоненти лазерного випромінювання. Таке відбувається при одночасному поглинанні декількох фотонів, тому фізики описували результати за допомогою усереднених значень їх імпульсів.
Експеримент показав складну взаємодію, так як електрон крім «класичної» частини імпульсу також отримував третину значення, яке повинно було дістатися іону. Автори пов'язують це саме з впливом магнітного поля світла.
В дослідах вчені використовували вдосконалену установку COLTRIMS (Collision Optical Laser Testing Reaction Interacting Momentum System - сутичка оптична лазерна система для випробування взаємодіючих імпульсів), яка дозволяє іонізувати лазером окремі іони і точно вимірювати імпульси отримуваних частинок. Для забезпечення чистоти експерименту дослідники опромінювали атоми з двох сторін, причому спершу поперемінно, а потім одночасно. Це дозволило позбутися можливої асиметрії, пов'язаної з неточністю установки.
Вчені відзначають, що крім фундаментального інтересу, їх робота також дозволяє краще зрозуміти інші процеси, що відбуваються в режимі сильного поля, такі як генерація високих гармонік, фотоелектронна голографія, візуалізація молекул за допомогою лазерів та інші.
Раніше фізики запропонували використовувати генерацію високих гармонік для вимірювання кільцевих струмів молекул, вперше створили динамічно закручене світло і винайшли лазер на органічному діоді з накачуванням струмом.