Wenn ein UHI-Laser auf eine feste Folie trifft, ionisiert er schnell die vordere Oberfläche. Die Elektronen bewegen sich in den kombinierten elektromagnetischen Feldern des Lasers und des Plasmas. Aufgrund der starken Felder werden die Elektronen schnell hochrelativistisch. Dies kann zu reichhaltigen physikalischen Effekten führen, wie Instabilitäten (z. B. Rayleigh-Taylor (RT)-ähnliche, parametrische, Weibel-, Buneman-, Widerstands- und Ionisationsinstabilitäten), Schockbildung, Aufheizung vergrabener Schichten durch interne ambipolare Expansion. Diese Effekte sind z. B. wichtig für das Verständnis fast aller fundamentalen Fragen der Laser-Festkörper-Plasmaphysik, wie z. B. Laserabsorption, Elektronen- und Ionenbeschleunigung (RPA, TNSA, BOA, SASL), Filamentierung von Elektronen- und Ionenstrahlen an der Folienoberfläche, innerhalb der Folie oder hinter der Folie, und die Erzeugung hoher Harmonischer. Es gibt jedoch noch keine direkte experimentelle Beobachtung eines der genannten Prozesse (obwohl z. B. indirekte Beobachtungen von Lochbohrungen über Dopplerverschiebung von reflektiertem Licht existieren). Der Grund dafür ist, dass die Zeitskala der Physik ultrakurz ist, in der Größenordnung der Pulsdauer (einige 10 Femtosekunden), der UHI-Laserperiode (typischerweise einige Femtosekunden) oder der Plasmaperiode (unter 0,1 Femtosekunden) und die relevanten räumlichen Skalen im Allgemeinen im Bereich von einigen Mikrometern und darunter liegen. Außerdem sind feste Folien für IR-, sichtbares oder UV-Licht nicht durchdringbar.

Die Entwicklung eines prädiktiven Verständnisses dieser und ihrer Wechselwirkungen, auch fernab des Gleichgewichts, ist eine große Herausforderung der modernen Plasmaphysik, die erhebliche Fortschritte in der Theorie und der numerischen Simulation von Nicht-Gleichgewichts- und nicht-linearen Prozessen erfordert. Gleichzeitig ist es von äußerster Wichtigkeit, viel bessere experimentelle Daten mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erhalten. Die Untersuchung des Festkörperplasmas mit XFELs wird völlig neue Wege zur direkten Beobachtung dieser extremen Bedingungen eröffnen und grundlegend neue Daten für die Entwicklung verbesserter Modelle liefern sowie bisherige theoretische Ansätze validieren oder falsifizieren. Dies ist die Voraussetzung, um fortschrittliche Anwendungen wie die schnelle Zündung der Kernfusion oder die Ionenbeschleunigung auf > 100 AMeV Energien zur Heilung tief sitzender Tumore voranzutreiben. Zu den Schlüsselobservablen gehören die lokale Elektronendichte, die Stromdichte, die quasistatischen Magnetfelder und der Ionisationszustand sowie die Wachstumsrate der verschiedenen Störungen und Instabilitäten.