阿秒激光：为“狂飙”的电子摄影——解读2023年诺贝尔物理学奖
当地时间10月3日，瑞典皇家科学院宣布，2023年诺贝尔物理学奖由美国俄亥俄州立大学的皮埃尔·阿戈斯蒂尼、德国马克斯·普朗克量子光学研究所的费伦茨·克劳斯以及瑞典隆德大学的安妮·吕利耶共同获得。
皮埃尔·阿戈斯蒂尼（左）、费伦茨·克劳斯（中）和安妮·吕利耶（右）因“用实验方法产生了可用于研究物质中的电子动力学的阿秒量级光脉冲”而获得2023年诺贝尔物理学奖。
图片来源：诺贝尔奖官网
瑞典皇家科学院指出，他们“证明了一种制造极短光脉冲——阿秒脉冲的方法，这种方法可用于测量原子和分子内部的电子运动或改变能量的快速过程，为人类探索电子世界提供了新工具”。其中，吕利耶从激光与气体中原子的相互作用中发现了谐波效应；阿戈斯蒂尼和克劳斯则证明用这种效应可以产生比飞秒脉冲更短的阿秒光脉冲。
诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森指出：“我们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会了解控制电子的机制，下一步将是更好地利用它们。”
从飞秒到阿秒
就像我们用光来观察周围的宏观世界一样，我们也可以用光来探测亚原子世界。但有一个原则必须遵守：任何测量都必须快于被研究系统发生明显变化所需的时间，否则只能得到模糊的结果。
在一个分子中，原子在飞秒（千万亿分之一秒，10的负15次方秒）时间尺度内移动和转动。因此，科学家们可以借助此前最短的光脉冲——飞秒脉冲来对其开展研究。1999年，美国加州理工学院教授艾哈迈德·泽维尔因为利用飞秒激光观察反应过程中化学分子的过渡态，独享当年的诺贝尔化学奖。
而电子在原子或分子内部“狂飙”时，其位置和能量在一到几百阿秒内发生变化，要对其运动开展测量，飞秒技术“爱莫能助”。
阿秒有多短暂呢？1阿秒是10的负18次方秒，也就是十亿分之一秒的十亿分之一。1阿秒之于1秒，相当于1秒之于宇宙的年龄（138亿年）。一束光从房间的一边到达对面墙上就需要100亿阿秒。
阿秒脉冲“现形记”
如何让光脉冲达到阿秒量级？科学家通过理论计算认为，可以通过组合多个波长的短波长激光脉冲来产生更短的光脉冲。
用最短光脉冲探索电子世界。
图片来源：诺贝尔奖官网
中国科学院物理研究所研究员魏志义对科技日报记者解释说：“要产生新的波长不仅需要飞秒激光驱动，还需要聚焦到气体，通过光与气体原子的相互作用产生所谓的高次谐波，高次谐波是在驱动激光的一个周期中，产生两个周期的波。”
据诺贝尔奖委员会官网介绍，1987年，吕利耶及其同事将一束红外激光聚焦到惰性气体，结果发现产生的谐波比之前用较短波长激光驱动所产生的谐波更多、更强，并且观测到的许多谐波具有相似的光强。
科学家们进一步研究发现，一旦这些谐波存在，它们会相互作用。当这些谐波的峰值相互重合时，光会变得更强烈；但当一个谐波的波峰与另一个谐波的波谷重合时，光会变得不那么强烈。在适当的情况下，谐波重合后会出现一系列紫外波段的激光脉冲，其中每个脉冲时长仅几百阿秒。物理学家在上世纪90年代就明白了这背后的理论，但直到2001年才真正揭示其“庐山真面目”。
2001年，阿戈斯蒂尼及其在法国的同事，在实验上成功产生了一系列仅持续250阿秒的脉冲串。费伦茨·克劳斯和其在奥地利的伙伴们则另辟蹊径，成功隔离出持续时长650阿秒的单个孤立光脉冲，而且用其跟踪和研究了将电子从原子中“拉”出来的过程。
“正是以这三位科学家为代表的研究人员历时十几年的工作，通过聪明才智和不懈努力，使超快科学迈入了阿秒时代！”魏志义强调说。
阿秒脉冲有望在多个领域“大显身手”
一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次，用人眼是无法看清的，但采用高速摄影相机就可将其动作定格成一帧帧清晰的画面。
魏志义形象地指出：“阿秒光脉冲正是研究微观物质世界的‘高速摄影相机’，可将‘狂飙’的电子定格下来进行观察。”
魏志义满怀希望地表示：“在（阿秒）如此短的时间尺度上研究和理解电子，有望促进超高速电子学的快速发展，有朝一日可能催生更强大的计算机芯片。它还使我们能够根据分子的电子特性来区分分子，并用于疾病的快速准确的诊断。”
据诺贝尔奖委员会官网介绍，克劳斯团队通过结合宽带光学、超快激光光源和精确的飞秒-阿秒泵浦探测技术，开发出了电场分子指纹技术，可以探测生物流体内分子成分的变化。这有望成为一种新的体外诊断分析技术，检测血液样本中疾病的特征分子，这一技术的优点在于可以同时监测许多分子，且不会对人体造成伤害。
据魏志义介绍，目前国际上除上述研究组外，美国、加拿大、意大利、瑞士、日本、韩国等国家的多个研究组也一直开展有阿秒脉冲的产生及在物理、化学、生物等诸多领域的应用研究。
“如美国中佛罗里达大学常增虎教授的团队先后于2012年及2017年两次创造了最短阿秒脉冲的世界纪录，瑞士联邦技术大学于2017年报道的43阿秒结果迄今仍保持着目前最短的世界纪录。特别是欧盟在匈牙利建设了以阿秒激光为主体内容的极端光设施（ELI-ALPS），用以提供不同领域的科学家开展阿秒科学研究”，对于阿秒领域的成果，魏志义如数家珍。
阿秒光脉冲的研究也得到中国科学家的广泛重视。中国科学院物理研究所、上海光机所、西安光机所、北京大学、华东师范大学、国防科技大学、华中科技大学等单位都开展有阿秒科学的研究。2013年，魏志义课题组首次在国内产生并测量得了160阿秒的孤立阿秒脉冲，目前正在进一步朝着更短脉宽、更高能量及更高重复频率的方向发展，结合终端设备，为阿秒激光在凝聚态物理、原子分子物理、化学、生物医学、信息、能源等领域的研究提供国际领先的平台与设施。
凡是过往，皆为序章！随着技术的不断发展，未来有望产生比阿秒更短的时间单位，如仄秒（10的负21次方秒）、幺秒（10负24次方秒）等。在科学探索和技术发展的征程中，人类前进的脚步永不停歇。
