Аттосекундные импульсы света обладают длительностью порядка 10−18 секунд, что делает их уникальным инструментом для исследования динамики электронов в плазме с временным разрешением, сопоставимым с фундаментальными процессами ионизации, рекомбинации и возбуждения. При взаимодействии с плазмой импульс может инициировать как линейные, так и нелинейные процессы, определяемые плотностью заряженных частиц, уровнем энергии фотонов и интенсивностью поля.
Ключевым является то, что аттосекундное воздействие не только зондирует состояние плазмы, но и способно существенно модифицировать её динамику. Высокая частота фотонов (обычно в области экстремального ультрафиолета и мягкого рентгена) обеспечивает селективное взаимодействие с внутренними оболочками атомов, а короткая длительность импульса позволяет отслеживать эволюцию электронной плотности в реальном времени.
В условиях действия аттосекундного импульса плазма может испытывать режим многократной фото-ионизации, при котором один атом теряет несколько электронов за время, меньшее характерного периода осцилляции плазмы. Такой процесс определяется:
Особое внимание уделяется эффектам отдачи, когда фотон выбивает электрон с передачей заметного импульса ионизированному ядру. Это приводит к перераспределению энергии внутри плазмы и влияет на скорость формирования локальных электронных возмущений.
Воздействие аттосекундного импульса изменяет локальную электронную плотность практически мгновенно. Плазма отвечает возбуждением коллективных колебаний — плазмонов и электронных осцилляций. На аттосекундных временных масштабах можно наблюдать:
Эти процессы сопровождаются образованием высших гармоник и спектральным уширением излучения, что само по себе служит методом диагностики плазмы.
Плазма под действием аттосекундных импульсов выходит в состояние, далёкое от термодинамического равновесия. Временные шкалы столкновений (10−14–10−12 с) значительно превышают длительность внешнего воздействия, что означает, что плазма не успевает перераспределить энергию по Максвелловскому закону.
В таких условиях возникает неравновесная электронная кинетика, характеризующаяся:
Эти особенности делают аттосекундные импульсы инструментом для изучения динамики плазмы на допрежимных этапах формирования равновесия.
Одним из важнейших аспектов является когерентное возбуждение плазменных колебаний. Аттосекундные импульсы могут индуцировать согласованные движения электронов, приводящие к формированию когерентного излучения в рентгеновском диапазоне. Данный механизм лежит в основе генерации высших гармоник в плазме и служит основным каналом преобразования энергии коротких импульсов в новые частотные диапазоны.
Кроме того, когерентные процессы позволяют использовать плазму как оптический элемент, изменяющий фазы и амплитуды аттосекундных импульсов.
Аттосекундные импульсы применяются не только для возбуждения, но и как зондирующий инструмент. С помощью техники pump–probe удаётся:
Использование спектроскопии задержек позволяет исследовать электронные корреляции и временные масштабы образования плазмы с точностью до десятков аттосекунд.
Взаимодействие аттосекундных импульсов с плазмой сопровождается быстрым обменом энергией между фотонами и электронным газом. В результате могут возникать:
Особое значение имеет исследование устойчивости плазмы в условиях сверхкороткого воздействия: анализ показывает, что импульсы могут либо стабилизировать плазму за счёт когерентного возбуждения, либо приводить к развитию турбулентных режимов.
Изучение взаимодействия аттосекундных импульсов с плазмой открывает возможности для:
Тем самым, аттосекундная физика становится одним из центральных направлений современной физики плазмы и светоматерии.