Нелокальность в квантовой физике выражается в том, что состояния микрочастиц не всегда могут быть описаны как независимые и локализованные в пространстве объекты. Особенно это проявляется в условиях аттосекундной физики, где характерные времена сопоставимы с фундаментальными временными масштабами электронной динамики. Квантовые волновые функции в таких процессах охватывают большие области пространства, что приводит к необходимости учитывать нелокальные взаимодействия.
Нелокальность становится критическим фактором при описании электронных корреляций, туннелирования и когерентных эффектов. В аттосекундной шкале временной локализации событий недостаточно — важна пространственная протяжённость волновой функции, определяющая вероятность мгновенных процессов.
Электронные корреляции в многоэлектронных системах проявляются как совместное, нелокальное поведение электронов. В сильных лазерных полях такие корреляции становятся особенно заметными: ионизация одного электрона изменяет потенциал для других, что мгновенно влияет на их динамику. В аттосекундных экспериментах удалось наблюдать коррелированное выбивание электронов, когда эмиссия одного электрона сопровождается немедленной перестройкой всей электронной плотности.
Важным примером является двойная ионизация атомов под действием интенсивных лазеров, где нелокальные взаимодействия приводят к тому, что второй электрон может быть выбит через мгновенный отклик системы на уход первого.
Фотоэмиссионные процессы в аттосекундном масштабе демонстрируют отклонения от локальной картины. Электрон, покидающий атом или твёрдое тело под действием аттосекундного импульса, испытывает влияние не только ближайшего окружения, но и коллективных эффектов в масштабах всей системы.
Примером служат эксперименты по времени задержки в фотоэмиссии: измеренные задержки при выходе электронов из различных атомных орбиталей показывают, что процессы нельзя описать чисто локально. Электрон ощущает нелокальные эффекты взаимодействия с остаточной системой, что проявляется в фемто- и аттосекундных задержках.
В режимах сильных полей нелокальность проявляется особенно ярко. Классическая модель туннелирования предполагает, что электрон локально преодолевает потенциальный барьер, однако аттосекундные измерения показали наличие временных задержек и распределений, указывающих на пространственную протяжённость процесса. Туннелирование — не локальный во времени и пространстве акт, а комплексная динамика, включающая взаимодействие с удалёнными областями волновой функции.
Кроме того, нелокальные эффекты в сильных полях проявляются в высших гармониках излучения: при генерации гармоник электрон ионизируется, ускоряется в поле, а затем возвращается к ядру, испуская фотон. Этот процесс невозможно описать без учёта нелокальности, так как электрон проходит значительные расстояния в поле лазера, оставаясь когерентно связанным с исходной системой.
В конденсированных средах аттосекундные импульсы выявляют нелокальные коллективные возбуждения, такие как плазмоны и поляритоны. Эти возбуждения невозможно рассматривать как локальные: их характер определяется распределением зарядов и токов во всём объёме.
Особенно важно, что аттосекундная спектроскопия позволяет регистрировать мгновенные изменения электронных зонных структур, что свидетельствует о нелокальной природе взаимодействий в кристалле. Волновые пакеты электронов, формируемые лазерными полями, распространяются на масштабах десятков нанометров за считанные аттосекунды, и их динамика отражает коррелированные процессы на уровне коллективной электронной системы.
Для описания нелокальных эффектов в аттосекундной физике применяются методы:
Серия аттосекундных экспериментов показала:
Эти результаты демонстрируют, что нелокальность является не побочным, а фундаментальным свойством ультрабыстрых процессов. Она определяет временную структуру эмиссии, характер корреляций и пределы применимости классических моделей, раскрывая глубинную взаимосвязанность пространства и времени в квантовой динамике.