Современная аттосекундная физика предоставляет уникальные возможности для прямого исследования фундаментальных процессов взаимодействия света и вещества на временных масштабах, близких к естественным временам движения электронов в атомах и молекулах. Одним из ключевых направлений в этой области является изучение корреляций между фотонами и электронами, возникающих в результате сложных динамических процессов в атомных и конденсированных системах при действии сверхкоротких импульсов экстремального ультрафиолетового (XUV) или рентгеновского излучения.
Фотоэффект и роль корреляций. При поглощении фотона электрон выбрасывается из атома или молекулы. В простейшей модели фотоэффект описывается как одноканальный процесс: фотон передаёт энергию отдельному электрону. Однако аттосекундные эксперименты показывают, что в реальных условиях процесс сопровождается коллективными явлениями: перестройкой электронной оболочки, возбуждением плазмонных мод или участием нескольких электронов одновременно.
Многоэлектронные эффекты. Корреляции проявляются в виде:
Фотонные корреляции. Сверхкороткие импульсы XUV света обладают не только спектральными, но и временными корреляциями. Статистика фотонов (когерентность, шум, антикорреляции) напрямую отражается на вероятности многоэлектронных переходов. Например, в условиях высокой интенсивности важным становится соотношение между временем корреляции фотонов и временем электронного отклика.
Аттосекундные фотоэлектронные спектроскопии. Регистрация электронов, выбитых аттосекундными импульсами, позволяет напрямую исследовать время задержки между поглощением фотона и выходом электрона. Эти задержки несут информацию о корреляциях и взаимодействии электрона с оставшейся системой.
Спектроскопия совпадений (coincidence measurements). В экспериментах фиксируют одновременно фотоэлектрон и связанные с ним вторичные процессы: либо другой электрон, либо фотоны вторичного излучения. Совпадения позволяют выявить статистические взаимосвязи и восстановить многоканальную структуру взаимодействия.
Междупучковые эксперименты pump-probe. Использование двух импульсов (например, XUV-импульса и вспомогательного инфракрасного) даёт возможность отслеживать динамику корреляций во времени. Здесь критическим является контроль задержки с точностью до десятков аттосекунд.
Уравнение Шрёдингера для многоэлектронных систем. Полный расчёт динамики требует решения зависимого от времени уравнения Шрёдингера (TDSE) для систем с несколькими электронами. Однако это практически невозможно для реальных многозарядных атомов и молекул.
Метод функций Грина и диаграммная техника. Использование временных функций Грина и методов квантовой теории поля позволяет учитывать корреляции, возникающие при многоквантовых процессах. Диаграммный подход Фейнмана удобен для описания обменных и корреляционных поправок к фотоэмиссии.
TDDFT (зависящая от времени теория функционала плотности). Широко применяемая в аттосекундной физике теория, позволяющая эффективно моделировать динамику электронной плотности, включая коллективные эффекты, при сохранении доступной вычислительной сложности.
Модели двухэлектронных систем. Упрощённые модели (например, для атома гелия) дают возможность проследить фундаментальные закономерности: роль кулоновских корреляций, влияние когерентности импульса на вероятность одновременной ионизации.
Одним из наиболее наглядных проявлений корреляций является временная задержка между поглощением фотона и эмиссией электрона. Эти задержки измеряются с помощью аттосекундной стрик-камеры или метода RABBITT (Reconstruction of Attosecond Beating By Interference of Two-photon Transitions).
Таким образом, даже если процесс инициируется одним фотоном, выходная динамика электрона определяется многочастичными взаимодействиями.
В твёрдых телах и наноструктурах корреляции между фотонами и электронами проявляются ещё ярче:
Исследование корреляций в этих системах имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение, так как напрямую связано с развитием технологий квантовой оптики, фотонных кристаллов и ультрабыстрой электроники.
Развитие источников аттосекундных импульсов и детекторов совпадений открывает путь к наблюдению корреляций на уровне одиночных событий, где каждый фотон и электрон рассматриваются как элементы общей квантовой системы. Это приближает физику к задаче полной реконструкции волновой функции электронно-фотонного состояния и контролю квантовых процессов с точностью до десятков аттосекунд.