В атомных и молекулярных системах электроны не являются независимыми частицами. Их движение и энергетическое распределение взаимосвязаны через кулоновское взаимодействие, что приводит к возникновению многоэлектронных корреляций. В отличие от независимой модели частиц, где каждый электрон рассматривается как движущийся в усреднённом поле ядра и остальных электронов, коррелированное описание учитывает совместные флуктуации в движении электронов.
Многоэлектронные корреляции особенно значимы в условиях взаимодействия с сверхкороткими аттосекундными импульсами, когда во временной эволюции системы начинают проявляться тонкие эффекты согласованного отклика электронов. Они становятся определяющими в процессах фотоионизации, автоионизации, релаксации возбуждённых состояний и в формировании тонкой структуры спектров.
При фотоионизации одиночного электрона в простых моделях предполагается, что остальные электроны остаются «спектаторами». Однако экспериментальные данные аттосекундной спектроскопии показывают, что даже при удалении одного электрона остающаяся электронная оболочка перестраивается. Это выражается в:
Особенно ярко многоэлектронные корреляции проявляются в двойной ионизации. В этом процессе поглощение одного фотона может привести к выбросу сразу двух электронов благодаря их кулоновскому взаимодействию. Подобные явления невозможно объяснить без учёта коллективного движения электронов.
Автоионизация представляет собой процесс, при котором возбуждённое состояние атома или молекулы нестабильно и распадается с испусканием электрона. Это состояние возникает именно за счёт многоэлектронных взаимодействий, когда один электрон переходит на возбужденный уровень, а другой оказывается ионизован.
Аттосекундная спектроскопия позволяет исследовать временную динамику автоионизационных процессов с разрешением порядка десятков аттосекунд, показывая, как корреляции между электронами управляют скоростью распада состояний и спектральной формой линий Фано. Эти линии возникают из-за интерференции между прямым каналом ионизации и коррелированным автоионизационным каналом.
В условиях сильного поля, создаваемого лазерными импульсами, электроны могут покидать атом через туннелирование. Здесь корреляции также играют важную роль: уход одного электрона изменяет потенциальный ландшафт для оставшихся, облегчая или затрудняя дальнейшую ионизацию. В многозарядных системах это приводит к феномену коррелированной последовательной ионизации, когда выброс второго электрона ускоряется благодаря действию первого.
Молекулы представляют собой ещё более сложные объекты, чем атомы, так как к электронным корреляциям добавляется многоцентровая природа потенциала. Это приводит к появлению следующих эффектов:
Традиционные приближения, такие как модель Хартри–Фока, не способны в полной мере описать динамику коррелированных электронов. Поэтому используются более точные методы:
Особенно важными являются гибридные подходы, которые позволяют сочетать численное моделирование с аналитическими решениями для отдельных упрощённых моделей.
Развитие аттосекундной физики позволило реализовать целый спектр техник для исследования многоэлектронных взаимодействий:
Изучение многоэлектронных корреляций имеет значение не только для атомной и молекулярной физики, но и для широкого круга приложений:
В аттосекундной физике именно многоэлектронные корреляции позволяют выйти за рамки независимого описания частиц и открыть путь к изучению коллективного характера движения электронов с фундаментальной точностью времени и энергии.