Плазма представляет собой квазинейтральную систему, где электроны и ионы взаимодействуют не только посредством индивидуальных столкновений, но и через коллективные электромагнитные поля. В отличие от разреженного газа, поведение которого можно описывать парными столкновениями частиц, плазма определяется согласованным движением большого числа зарядов, приводящим к возникновению когерентных возбуждений и волн. Эти процессы играют ключевую роль в аттосекундной физике, поскольку сильные ультракороткие лазерные импульсы способны возбуждать в плазме нелинейные режимы, которые проявляются в виде быстрых коллективных осцилляций.
Одним из фундаментальных свойств плазмы является способность к экранированию электрических полей. Заряженная частица, помещённая в плазму, вызывает перераспределение других зарядов, в результате чего её электрическое поле эффективно уменьшается на расстояниях, превышающих дебаевский радиус. Эта характерная длина играет важную роль при рассмотрении динамики коллективных процессов, поскольку определяет масштаб, на котором плазма может рассматриваться как квазинейтральная среда.
Физический смысл дебаевского экранирования в аттосекундной динамике заключается в том, что быстрое возбуждение электронов лазерным импульсом приводит к образованию локальных флуктуаций плотности. Эти флуктуации не развиваются хаотично, а гасятся за счёт экранирования, что стабилизирует эволюцию плазмы на субфемтосекундных временах.
Классическим примером коллективного возбуждения являются лонгитюдные плазменные колебания электронов относительно неподвижного ионного фона. Их частота — плазменная частота — определяется плотностью электронов и является фундаментальным параметром плазмы.
При взаимодействии с аттосекундными импульсами электронные колебания могут быть возбуждены когерентно, что открывает путь к управлению динамикой заряженной среды на временных масштабах порядка 10−18 с. Такие возбуждения лежат в основе генерации гармоник высокого порядка, усиления рентгеновского излучения и формирования аттосекундных всплесков в твёрдых мишенях и плотной плазме.
В противоположность быстрым электронным колебаниям, существуют низкочастотные коллективные моды — ионно-звуковые волны. Они представляют собой упругие возмущения в плазме, где ионы колеблются относительно равновесного положения под действием давления электронного газа.
Для аттосекундной физики ионно-звуковые волны важны в контексте формирования плотностных гребней, которые служат своеобразной решёткой для рассеяния и преобразования света. В частности, короткие лазерные импульсы могут возбуждать такие волны, что приводит к появлению дифракционных и нелинейных эффектов в плазме, усиливающих генерацию когерентного рентгеновского излучения.
Особое значение имеют поверхностные плазмоны — коллективные колебания электронов, локализованные на границе раздела плазма–твёрдое тело или плазма–вакуум. При облучении твёрдых мишеней интенсивными аттосекундными импульсами эти возбуждения могут усиливать локальные электрические поля, что резко повышает эффективность нелинейных процессов.
Поверхностные плазмоны вносят вклад в формирование высокоэнергетического спектра излучения и управляют процессами генерации аттосекундных импульсов в экспериментах с плотной плазмой. Благодаря сильному локальному усилению полей, они становятся ключевым элементом в схемах компактных источников когерентного излучения.
Когда плазма возбуждается полями с интенсивностью выше пороговых значений, её динамика становится нелинейной. Это выражается в:
В аттосекундной физике именно такие нелинейные коллективные процессы позволяют преобразовывать энергию оптического поля в рентгеновское излучение и управлять динамикой зарядов на субфемтосекундных масштабах.
При достаточно интенсивных воздействиях в плазме возникает турбулентный режим, в котором множество коллективных мод взаимодействуют между собой. Это приводит к каскадному переносу энергии по спектру колебаний и образованию мелкомасштабных структур.
В аттосекундных экспериментах такие процессы проявляются в виде хаотических флуктуаций излучения и быстрых изменений локальной плотности, что оказывает влияние на стабильность генерации гармоник. Управление турбулентными режимами является актуальной задачей для оптимизации источников аттосекундного света.
Современные установки аттосекундной физики используют коллективные эффекты в плазме для достижения нескольких целей:
Таким образом, коллективные процессы в плазме являются фундаментальной основой аттосекундной физики, определяя возможности генерации ультракоротких импульсов и раскрывая новые механизмы управления материей на предельно малых временны́х масштабах.