Электрон в атоме или молекуле не существует в виде классической частицы, локализованной в определённой точке пространства, а описывается волновой функцией, которая задаёт распределение вероятности его нахождения в том или ином месте. Эти состояния дискретны и соответствуют собственным значениям гамильтониана системы. В аттосекундной физике ключевым становится не только само существование этих дискретных уровней, но и их сверхбыстрая динамика при внешнем воздействии ультракоротких импульсов света.
Квантовые состояния электронов в сильных полях описываются как суперпозиции базисных состояний, и именно временное развитие такой суперпозиции позволяет исследовать процессы переходов между уровнями, туннелирования, когерентной динамики и корреляций электронов.
В атомных системах электронные состояния группируются в оболочки и подуровни, определяемые квантовыми числами:
Эти состояния формируют спектр, который в отсутствие возмущений описывается стационарными функциями. Однако при взаимодействии с аттосекундным импульсом возможна быстрая перестройка спектра за счёт возбуждения, ионизации и появления временно связанных состояний.
Одним из центральных направлений аттосекундной физики является исследование того, как электрон переходит из основного состояния в возбужденное или в континуум. На аттосекундных временных шкалах становится возможным отслеживать эволюцию волнового пакета электрона. При возбуждении или ионизации электрон оказывается не в одном собственном состоянии, а в суперпозиции множества состояний, образуя когерентный пакет.
Эта когерентность ведёт к наблюдаемым осцилляциям плотности вероятности, что отражается в характеристиках излучения или спектрах фотоэлектронов. Такие осцилляции связаны с биениями между уровнями и дают информацию о разности энергий и временной шкале корреляций.
Формирование электронных волновых пакетов происходит в результате взаимодействия атома или молекулы с коротким импульсом света. Эти пакеты обладают конечной длительностью и пространственным распределением, и их интерференция в разные моменты времени позволяет регистрировать структуру энергетических уровней.
Методы аттосекундной спектроскопии позволяют наблюдать, как волновой пакет распространяется, отражается от кулоновского потенциала и интерферирует с самим собой. Эти процессы раскрывают информацию о фазах квантовых состояний и их динамике, которая не видна в традиционных стационарных измерениях.
На аттосекундных временных масштабах становятся доступными процессы, где учитываются тонкие эффекты — например, спин-орбитальное взаимодействие. Оно приводит к расщеплению энергетических уровней, что отражается в характере переходов и формировании двойных или тройных структур в спектрах. Влияние этих эффектов особенно важно для тяжёлых атомов и ионов, где сильное электрическое поле ядра существенно взаимодействует со спином электрона.
В атомах с несколькими электронами состояние отдельного электрона нельзя рассматривать в полной изоляции. Квантовые состояния формируются как результат взаимодействия всех электронов между собой и с ядром. На аттосекундных масштабах эти корреляции проявляются особенно ярко: ионизация одного электрона может мгновенно изменить состояние других, создавая коллективную динамику.
Аттосекундные эксперименты позволяют регистрировать такие процессы, как двукратная ионизация, коррелированные выбросы электронов и перераспределение энергии внутри системы. Теоретическое описание требует использования многотельных волновых функций и численных методов решения уравнения Шрёдингера в присутствии сильного поля.
Особый интерес представляют состояния в континууме, возникающие после ионизации. Электрон, покидая атом, тем не менее остаётся связанным с ним через кулоновский хвост потенциала. В результате его состояние не является полностью свободным и содержит информацию о структуре исходной системы.
Интерференция прямых и рассеянных волновых функций электрона формирует характерные осцилляции в спектре фотоэлектронов. Эти осцилляции несут данные о фазах переходов и временных задержках эмиссии, что позволяет реконструировать процессы ионизации с аттосекундным разрешением.
Одним из фундаментальных достижений аттосекундной физики является измерение временных задержек в фотоэмиссии. Когда электрон выбивается из атома коротким импульсом, момент его выхода зависит от квантового состояния, в котором он находился, и от путей, по которым происходит ионизация.
Эти задержки, измеряемые в десятках и сотнях аттосекунд, дают уникальную информацию о фазах квантовых амплитуд и механизмах взаимодействия с полем. Таким образом, изучение временных характеристик фотоэмиссии позволяет напрямую исследовать структуру и динамику квантовых состояний электронов.