Аттосекундная физика традиционно исследует взаимодействие сверхкоротких лазерных импульсов с веществом в нерелятивистской области, где скорость электронов значительно меньше скорости света, а описание может быть ограничено уравнением Шрёдингера. Однако при достаточно высоких интенсивностях светового поля, когда амплитуда колебательной энергии электрона становится сравнимой или превышает его покоящуюся энергию, проявляются релятивистские эффекты.
Характерной границей здесь служит релятивистский параметр
$$ a_0 = \frac{e E_0}{m_e \omega c}, $$
где e — заряд электрона, E0 — амплитуда электрического поля, ω — частота излучения, me — масса электрона, c — скорость света. Если a0 ≪ 1, движение электрона описывается нерелятивистски, а при a0 ≳ 1 требуется учитывать релятивистскую динамику.
При интенсивности лазерного поля порядка 1018 Вт/см² электрон, выбитый из атома, приобретает продольный импульс за счёт магнитной составляющей поля. В нерелятивистском приближении магнитная сила Лоренца мала, однако при релятивистских скоростях она становится сопоставимой с электрической и вызывает дрейф электрона вдоль направления распространения лазерного луча.
Такой дрейф принципиально изменяет механизмы генерации высших гармоник и процессы рекомбинации электронов с ядром: вероятность возвращения электрона к иону резко уменьшается. Вследствие этого обычный механизм генерации аттосекундных импульсов через высокие гармоники становится неэффективным, что требует разработки альтернативных подходов.
Релятивистская динамика электрона приводит к нелинейным сдвигам в спектре излучения:
Эти эффекты проявляются в спектрах излучения при генерации гармоник и при комптоновском рассеянии сверхкоротких импульсов.
При сверхсильных полях туннельная и многофотонная ионизация требуют модификации традиционной теории Келдыша. В релятивистском режиме:
Таким образом, наблюдаются заметные отличия в формах временных профилей ионизационных сигналов по сравнению с нерелятивистскими расчетами.
В аттосекундной физике ключевую роль играют три основных процесса: многофотонная ионизация, ускорение электрона в поле и рекомбинация. В релятивистской области все эти процессы искажаются:
Однако именно эти особенности открывают возможности для новых схем получения аттосекундных импульсов, например через релятивистскую генерацию на плотных плазменных мишенях.
Одним из фундаментальных открытий в этой области стало использование так называемых релятивистских зеркал — плазменных поверхностей, облучаемых сверхсильными лазерными импульсами. Под действием излучения поверхность плазмы начинает осциллировать с релятивистской скоростью, что приводит к:
Эти механизмы открывают путь к созданию источников излучения с экстремально высокой яркостью и аттосекундным временным разрешением.
Когда энергия взаимодействия достигает релятивистского уровня, необходимо учитывать квантово-релятивистское описание на основе уравнения Дирака. В этой области проявляются:
Таким образом, аттосекундная физика в релятивистском пределе тесно связана с квантовой электродинамикой в сильных полях.
Релятивистские эффекты в аттосекундных процессах имеют ключевое значение для:
Эта область соединяет классическую аттосекундную физику с физикой высоких энергий, расширяя границы наших возможностей по наблюдению и управлению квантовыми процессами в предельно коротких временных масштабах.