阿秒激光：為“狂飆”的電子攝影——解讀2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月3日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)由美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的皮埃爾·阿戈斯蒂尼、德國(guó)馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所的費(fèi)倫茨·克勞斯以及瑞典隆德大學(xué)的安妮·呂利耶共同獲得。
皮埃爾·阿戈斯蒂尼（左）、費(fèi)倫茨·克勞斯（中）和安妮·呂利耶（右）因“用實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生了可用于研究物質(zhì)中的電子動(dòng)力學(xué)的阿秒量級(jí)光脈沖”而獲得2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
圖片來源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)
瑞典皇家科學(xué)院指出，他們“證明了一種制造極短光脈沖——阿秒脈沖的方法，這種方法可用于測(cè)量原子和分子內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)或改變能量的快速過程，為人類探索電子世界提供了新工具”。其中，呂利耶從激光與氣體中原子的相互作用中發(fā)現(xiàn)了諧波效應(yīng)；阿戈斯蒂尼和克勞斯則證明用這種效應(yīng)可以產(chǎn)生比飛秒脈沖更短的阿秒光脈沖。
諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席伊娃·奧爾森指出：“我們現(xiàn)在可以打開電子世界的大門。阿秒物理學(xué)讓我們有機(jī)會(huì)了解控制電子的機(jī)制，下一步將是更好地利用它們。”
從飛秒到阿秒
就像我們用光來觀察周圍的宏觀世界一樣，我們也可以用光來探測(cè)亞原子世界。但有一個(gè)原則必須遵守：任何測(cè)量都必須快于被研究系統(tǒng)發(fā)生明顯變化所需的時(shí)間，否則只能得到模糊的結(jié)果。
在一個(gè)分子中，原子在飛秒（千萬億分之一秒，10的負(fù)15次方秒）時(shí)間尺度內(nèi)移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，科學(xué)家們可以借助此前最短的光脈沖——飛秒脈沖來對(duì)其開展研究。1999年，美國(guó)加州理工學(xué)院教授艾哈邁德·澤維爾因?yàn)槔蔑w秒激光觀察反應(yīng)過程中化學(xué)分子的過渡態(tài)，獨(dú)享當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
而電子在原子或分子內(nèi)部“狂飆”時(shí)，其位置和能量在一到幾百阿秒內(nèi)發(fā)生變化，要對(duì)其運(yùn)動(dòng)開展測(cè)量，飛秒技術(shù)“愛莫能助”。
阿秒有多短暫呢？1阿秒是10的負(fù)18次方秒，也就是十億分之一秒的十億分之一。1阿秒之于1秒，相當(dāng)于1秒之于宇宙的年齡（138億年）。一束光從房間的一邊到達(dá)對(duì)面墻上就需要100億阿秒。
阿秒脈沖“現(xiàn)形記”
如何讓光脈沖達(dá)到阿秒量級(jí)？科學(xué)家通過理論計(jì)算認(rèn)為，可以通過組合多個(gè)波長(zhǎng)的短波長(zhǎng)激光脈沖來產(chǎn)生更短的光脈沖。
用最短光脈沖探索電子世界。
圖片來源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)
中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員魏志義對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者解釋說：“要產(chǎn)生新的波長(zhǎng)不僅需要飛秒激光驅(qū)動(dòng)，還需要聚焦到氣體，通過光與氣體原子的相互作用產(chǎn)生所謂的高次諧波，高次諧波是在驅(qū)動(dòng)激光的一個(gè)周期中，產(chǎn)生兩個(gè)周期的波。”
據(jù)諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)官網(wǎng)介紹，1987年，呂利耶及其同事將一束紅外激光聚焦到惰性氣體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的諧波比之前用較短波長(zhǎng)激光驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的諧波更多、更強(qiáng)，并且觀測(cè)到的許多諧波具有相似的光強(qiáng)。
科學(xué)家們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，一旦這些諧波存在，它們會(huì)相互作用。當(dāng)這些諧波的峰值相互重合時(shí)，光會(huì)變得更強(qiáng)烈；但當(dāng)一個(gè)諧波的波峰與另一個(gè)諧波的波谷重合時(shí)，光會(huì)變得不那么強(qiáng)烈。在適當(dāng)?shù)那闆r下，諧波重合后會(huì)出現(xiàn)一系列紫外波段的激光脈沖，其中每個(gè)脈沖時(shí)長(zhǎng)僅幾百阿秒。物理學(xué)家在上世紀(jì)90年代就明白了這背后的理論，但直到2001年才真正揭示其“廬山真面目”。
2001年，阿戈斯蒂尼及其在法國(guó)的同事，在實(shí)驗(yàn)上成功產(chǎn)生了一系列僅持續(xù)250阿秒的脈沖串。費(fèi)倫茨·克勞斯和其在奧地利的伙伴們則另辟蹊徑，成功隔離出持續(xù)時(shí)長(zhǎng)650阿秒的單個(gè)孤立光脈沖，而且用其跟蹤和研究了將電子從原子中“拉”出來的過程。
“正是以這三位科學(xué)家為代表的研究人員歷時(shí)十幾年的工作，通過聰明才智和不懈努力，使超快科學(xué)邁入了阿秒時(shí)代！”魏志義強(qiáng)調(diào)說。
阿秒脈沖有望在多個(gè)領(lǐng)域“大顯身手”
一只小小的蜂鳥每秒可以拍打翅膀80次，用人眼是無法看清的，但采用高速攝影相機(jī)就可將其動(dòng)作定格成一幀幀清晰的畫面。
魏志義形象地指出：“阿秒光脈沖正是研究微觀物質(zhì)世界的‘高速攝影相機(jī)’，可將‘狂飆’的電子定格下來進(jìn)行觀察。”
魏志義滿懷希望地表示：“在（阿秒）如此短的時(shí)間尺度上研究和理解電子，有望促進(jìn)超高速電子學(xué)的快速發(fā)展，有朝一日可能催生更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)芯片。它還使我們能夠根據(jù)分子的電子特性來區(qū)分分子，并用于疾病的快速準(zhǔn)確的診斷。”
據(jù)諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)官網(wǎng)介紹，克勞斯團(tuán)隊(duì)通過結(jié)合寬帶光學(xué)、超快激光光源和精確的飛秒-阿秒泵浦探測(cè)技術(shù)，開發(fā)出了電場(chǎng)分子指紋技術(shù)，可以探測(cè)生物流體內(nèi)分子成分的變化。這有望成為一種新的體外診斷分析技術(shù)，檢測(cè)血液樣本中疾病的特征分子，這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以同時(shí)監(jiān)測(cè)許多分子，且不會(huì)對(duì)人體造成傷害。
據(jù)魏志義介紹，目前國(guó)際上除上述研究組外，美國(guó)、加拿大、意大利、瑞士、日本、韓國(guó)等國(guó)家的多個(gè)研究組也一直開展有阿秒脈沖的產(chǎn)生及在物理、化學(xué)、生物等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用研究。
“如美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)常增虎教授的團(tuán)隊(duì)先后于2012年及2017年兩次創(chuàng)造了最短阿秒脈沖的世界紀(jì)錄，瑞士聯(lián)邦技術(shù)大學(xué)于2017年報(bào)道的43阿秒結(jié)果迄今仍保持著目前最短的世界紀(jì)錄。特別是歐盟在匈牙利建設(shè)了以阿秒激光為主體內(nèi)容的極端光設(shè)施（ELI-ALPS），用以提供不同領(lǐng)域的科學(xué)家開展阿秒科學(xué)研究”，對(duì)于阿秒領(lǐng)域的成果，魏志義如數(shù)家珍。
阿秒光脈沖的研究也得到中國(guó)科學(xué)家的廣泛重視。中國(guó)科學(xué)院物理研究所、上海光機(jī)所、西安光機(jī)所、北京大學(xué)、華東師范大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位都開展有阿秒科學(xué)的研究。2013年，魏志義課題組首次在國(guó)內(nèi)產(chǎn)生并測(cè)量得了160阿秒的孤立阿秒脈沖，目前正在進(jìn)一步朝著更短脈寬、更高能量及更高重復(fù)頻率的方向發(fā)展，結(jié)合終端設(shè)備，為阿秒激光在凝聚態(tài)物理、原子分子物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、信息、能源等領(lǐng)域的研究提供國(guó)際領(lǐng)先的平臺(tái)與設(shè)施。
凡是過往，皆為序章！隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來有望產(chǎn)生比阿秒更短的時(shí)間單位，如仄秒（10的負(fù)21次方秒）、幺秒（10負(fù)24次方秒）等。在科學(xué)探索和技術(shù)發(fā)展的征程中，人類前進(jìn)的腳步永不停歇。
