阿秒科普說——拍攝“光”的超級照相機

前言

北京時間10月3日17時50分許，在瑞典首都斯德哥爾摩，瑞典皇家科學院宣布，將2023年諾貝爾物理學獎授予美國俄亥俄州立大學名譽教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德國馬克斯·普朗克量子光學研究所教授費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大學教授安妮·呂利耶（Anne L’Huillier），三人平分獎金，“表彰他們為研究物質中的電子動力學而產生阿秒光脈沖的實驗方法”。他們的實驗為人類提供了探索原子和分子內部電子世界的新工具，制造出來的極短的光脈沖，可以捕捉電子移動或能量變化的快速過程。

阿秒脈沖為什么能獲得諾貝爾獎，它對物理科學界發展又有什么意義，下面讓小編帶您一起走近阿秒脈沖。

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阿秒是什么?

首先提出一個問題：馬兒在疾馳的時候，是四腳同時騰空，還是始終有一腳著地呢?

十九世紀，這個著名的學界之問得到了解答。1878年，著名的攝影師埃德沃德·邁布里奇改進了當時的快門設計，在跑道上放了一共12處相機和機關，成功地拍下了馬兒奔跑的全過程。

通過拼接后的照片，人們找到了問題的答案：快馬奔馳時，的確有那么一個瞬間四條腿會同時離開地面。

馬兒奔跑過程照片

在攝影技術中，一個“快門”時間內可以曝光并記錄一個動作，動作發生時間越短，需要記錄它的“快門”就相應地要求越短，否則圖像就會出現虛影。因此，提高照相機的快門速度(時間分辨能力)，可以讓我們對事物的認識提高到一個更高平。

快馬的奔馳盡管很快，但是頂多在0.01的數量級，那如何觀測更快的運動呢?

高中時代，我們曾聽聞過“飛秒”化學。1飛秒只有1秒的一千萬億分之一，即1e^?15秒，是極其小的一個時間單位,縱使是光，也只能在1飛秒內走300nm。而今天要介紹的阿秒，則是1秒的100億億分之一?。ㄎ业乃俣仍谀阒希。?/p>

相對于宏觀物體來說，微觀世界的物質（原子、分子）運動的速度更快，為了研究這種運動，科學家們發明了飛秒激光，光脈沖的持續時間短至10-15秒，我們終于可以看清一個原子是怎么運動的了。

飛秒激光是人類在實驗室條件下所能獲得最短脈沖的技術手段，飛秒激光在瞬間發出的巨大功率比全世界發電總功率還大，已有所應用，科學家預測飛秒激光將為下世紀新能源的產生發揮重要作用。

可是科學家仍然沒有停止腳步：他們還想看看原子內部的電子是怎么運動的。

原子核內的電子運動速度更快，氫原子基態電子繞原子核旋轉一周的時間是150阿秒，這就意味著飛秒激光已經看不清電子的運動了，人們需要時間寬度在阿秒量級的激光。如何制造阿秒激光就成為了新挑戰。

阿秒作為一個時間單位，1 阿秒=10^-18 秒，這是什么概念呢？

我們看一下光在相應時間單位內可以傳播多長距離：1秒內光傳播30萬千米，可以環繞地球約7.5 次，在1 ps時間內，只能傳播0.3mm的距離；在1fs時間內，則只能傳播0.3μm，這個距離甚至不到一根頭發絲的百分之一；而在1as 時間內，光只能傳播0.3nm，也就是3個緊緊排在一起氫原子的長度(或者說，1 as的時間還不夠光繞氫原子的“赤道”跑一圈)。更具體地來說，一道光從一間尋常大小房間的一端傳播到另一端的墻上，這需要上百億阿秒。

阿秒示意

而激光通過時對電子“撥弄”的程度不同，會使得這些諧波光的波長各有不同。這讓科學家馬上想到：根據波的疊加原理，波長不同的一組光之間相互疊加，可以產生變亮和變暗交替的疊加效果；如果合理選擇初始條件，那么這些諧波光疊加之后形成的亮暗交替現象，就可以充當攝像機里的快門，從而實現超短時間的光脈沖。

也就是說，由于電子擾動產生的光波，經過人為調節后，可以重新成為觀察電子運動的神奇工具。這啟發了科學家們的靈感。

經過嚴格的計算和不斷地調節初始條件，人們終于實現了這一設想：2001年，皮埃爾-阿戈斯蒂尼通過這種方法，產生了時長為250阿秒的脈沖光，這相當于每秒鐘按快門四千萬億次！

幾乎在同一時間，費倫茨·克勞斯采用了一種完全不同的實驗策略，也成功實現了時長為650阿秒的光脈沖，與皮埃爾-阿戈斯蒂尼的實驗不同的是，這一實驗首次實現了單個阿秒光脈沖。

在這之后，新世界的大門打開了：來自全世界各地的科學家紛紛跟進，改進實驗機制和實驗條件，將脈沖光的長度進一步壓縮，提升阿秒激光這一“高速攝像機”的性能。中國科學院物理研究所的魏志義課題組在2013年實現了160阿秒的單個光脈沖，標志著我國也在阿秒激光領域占據了一席之地。

阿秒閃光產生的快照

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為什么科學家會致力于阿秒光脈沖的研究？阿秒科學的意義是什么？

人類認識運動著的世界最初的工具是自己的雙眼。慢慢地，人們發現，單憑眼睛觀察運動已經不夠用了。如上文提到的馬兒奔跑的問題?？祚R奔跑時，確實會有一個瞬間，在奔馳中馬兒的四條腿會同時離開地面。在此基礎上，人們發展出了電影技術。

隨著科學技術的發展，人類將運動的觀測由宏觀世界拓寬到了微觀世界。人們發明了電子顯微鏡，電子顯微鏡雖然具有超高的空間分辨能力，但是沒有超高的時間分辨能力，因此只能探測靜態的物質微觀世界的空間結構。要想探測運動的微觀世界，科學家們還需另尋他法。

終于在1960年，美國物理學家費曼發現了人類探尋微觀世界的另一把鑰匙：激光。如果你想要清楚地看清一個運動，那么你的快門就得足夠快！比如想要觀察到分子旋轉的動力學過程，就至少需要皮秒（10^（-12）秒）量級的脈沖激光；想要觀測到化學鍵的振動動力學，就需要飛秒（10^（-15）秒）量級的脈沖激光。1991年，D. E. Spence 等人利用自鎖模技術，以摻鈦藍寶石為增益介質，獲得了60飛秒的激光脈沖，這被看成是人類歷史上第一束真正意義上的飛秒激光脈沖。

然而，要想繼續進行微觀物理的研究，飛秒激光也顯得“力不從心”了，在分子中，原子的移動和轉動以飛秒為單位；但當整個原子運動時，其時間尺度是由原子內部又大又重的原子核決定的。與光和輕巧靈活的電子相比，原子核的運動極其緩慢。當電子在原子或分子內運動時，它們的速度非?？?，以至于飛秒級的時間內就會看不清它們的運動。這就是我們需要阿秒激光的原因。

諾貝爾物理學委員會伊娃·奧爾森說：“我們現在可以打開通往電子世界的大門了。阿秒物理學，使我們有機會了解電子控制的機制，下一步將是如何應用?！?/p>

那么，阿秒科學能夠應用在什么方面呢？

1. 精密計時：阿秒計時技術可以幫助科學家更精確地測量時候，進一步揭示物質和能量之間的相互作用，這對于基礎科學研究、精密計時、導航定位等領域具有重要意義。

2. 原子分子物理：阿秒光脈沖可以用來研究原子分子中的電子結構、動力學和相互作用，例如電子軌道成像、電子隧穿、電離、解離、退激等過程。

3. 凝聚態物理：阿秒光脈沖可以用來研究凝聚態物理，研究固體材料中的電子、聲子、自旋和磁性等物質的超快變化，例如電子相變、聲子動力學、自旋動力學、磁疇壁運動等過程。

4. 化學反應動力學：阿秒光脈沖可以用來研究化學反應的微觀機制，例如反應坐標、過渡態、反應速率、反應路徑等參數。

5. 分子生物物理：阿秒光脈沖可以用來研究生物分子的結構和功能，例如蛋白質的折疊、解折疊、構象變化、功能調控等過程。

6. 納米光學：阿秒光脈沖可以用來研究納米尺度的光學現象，例如表面等離激元、納米結構的光學響應、納米粒子的光學操控等效應。

7. X射線科學：阿秒光脈沖可以用來產生高亮度的軟X射線和硬X射線，從而實現X射線的時間分辨率和空間分辨，例如X射線衍射、X射線吸收、X射線發射等技術。

阿秒原子分子物理學中的應用

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阿秒脈沖的實現

相機快門按下，世界被定格，當一幀一幀的圖像不斷地播放，世界重歸運動的絕對。每秒幾幀已足以反映你緩慢的翻書，每秒幾十幀已足以復刻運動員的飛奔，但當我們從宏觀來到微觀，要想觀測電子難以捉摸的運動，只有使用阿秒級別的“超級快門”才有可能實現。

在很長一段時間內，通過使用主流激光器，我們只能得到最短6fs（1*10^-15）的光脈沖，fs級的光脈沖的實現依靠的是技術的進步，如使用鎖模鈦寶石激光器等激光增益介質，但是可見光的時間周期是幾飛秒（由光速與可見光波長可知）， 而我們無法令光的脈沖寬度比它的特征光學周期還要短，技術進步已無法幫助我們高歌猛進地進入阿秒的世界。我們需要基于基礎物理學的研究范式的轉變。

1987年，我們此次的諾獎得主之一Anne L’Huillier利用紅外激光通過氖氣、氬氣等稀有氣體，意外地得到了一系列的高次諧波（HHG），高次諧波就好似樂器奏鳴后的泛音。上帝為我們打開了通向原子秘密的大門，就在這些高次諧波中，我們可以得到波長足夠小的光。人類邁向了通向阿秒的第一步。

為了能夠實際利用這些高次諧波，我們實現需要搞清其產生的物理過程。在這個過程中，P. Corkum教授提出的半經典的三步模型做出了重要貢獻。我們可以用高中學過的光電效應來理解這個過程，它們有相同之處但當然不同。三步，就是電離、加速、復合，首先，強激光場使氣體原子發生電離，但電子并未實現逃逸，在經過短暫的加速后，它再次回到原子（此時是單電荷離子）的懷抱，而在這個過程中電子獲得的能量便以光的形式釋放，得到極紫外（XUV）光子，也就得到了阿秒級光脈沖的光來源。

事實上，高次諧波的產生過程天然地有阿秒脈沖串，關鍵在于如何測量出如此短的脈沖，不然我們如何知曉我們得到了它呢？第二位諾獎得主閃亮登場——Pierre Agostini，他的PABBIT方法使測量阿秒脈沖串得以實現。如今完事具備，2001年，在巴黎薩克雷，13年前第一次發現高次諧波光譜的同一實驗中心，Agostini小組得到了250as的光脈沖。隨后，在維也納，第三位諾獎得主Krause的小組得到了650as的孤立脈沖……

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阿秒科學的未來前景

阿秒（Attosecond）是一種時間單位，相當于10^-18秒。在物理學和化學等領域，阿秒被用于研究超快現象，如電子在原子中的運動、化學反應的過程等。未來，阿秒技術將在以下幾個方面得到應用和發展：

1. 拍攝各種高速運動的過程：阿秒激光可以用來拍攝各種高速運動的過程，如化學反應、分子尺度的運動和原子尺度的運動。用阿秒激光拍攝化學反應的過程，可以幫助科學家們更好地理解反應機理，并進一步改進化學工藝。用阿秒激光拍攝分子和原子的運動，可以揭示它們之間的相互作用和動力學過程，對于材料科學和生物科學的研究非常重要。

2. 超快成像：阿秒激光可用于高速攝影，幫助科學家們觀察和控制超快速電子過程，這對于開發更快、更高效的電子設備具有重要意義。

3. 制造更小、更快的電子元件：阿秒激光還可以用于制造更小、更快的電子元件，在信息處理和通信領域有著廣泛的應用前景。

4. 科學研究：阿秒激光還可以用于研究物理、化學、材料科學和生物科學中的微觀過程。例如，在化學反應中，可以使用阿秒激光來觀察和控制化學反應的過程，以便更好地理解反應機制并改進化學工藝。

5. 超快激光：阿秒激光能夠產生超強的電場和磁場，可用于研究物質的微觀結構和超快化學反應過程。

6. 超快電子學：阿秒技術可以應用于電子學領域，如研制超快計算機、超高速通信系統等。

7. 能源科學：阿秒技術可以幫助研究人員更好地了解能量在物質中的傳輸和轉換過程，為開發新型能源材料提供理論支持?？梢杂玫窖芯扛邷爻瑢У奈锢頇C制，對于拓撲絕緣體的研究可能也有助力。

8. 生物醫學：阿秒技術可以應用于生物醫學領域，如研究蛋白質折疊、藥物作用機理等，為研發新型藥物和治療方法提供依據，為日后解決癌癥提供了一個非常重要的基礎技術。

目前，阿秒光脈沖已經成為研究原子、分子等亞原子尺度的物理規律最有力的工具，同時，利用此項技術還可以觀察到如閃電產生、藥物溶解、生命反應等人類無法分辨的瞬態現象，同時可以幫助人類控制導彈發射、核爆等工程過程，應用前景良好。甚至有人預測到：阿秒或將成為物理學的未來。

阿秒光脈沖探索電子世界

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我國阿秒技術的發展----我國首個阿秒激光裝置正在建設中

在我國，阿秒激光的相關研究已被納入國家重要發展方向。已經建成的相關實驗系統及正在規劃的科學裝置，將為阿秒動力學的研究提供重要的創新手段，通過觀察電子運動，成為未來時間分辨率范疇的最好“電鏡”。據公開信息，在我國位于粵港澳大灣區的松山湖材料實驗室，正在規劃一臺阿秒激光裝置。此設施由中科院物理所與中科院西光所共建，松山湖材料實驗室也參與了建設。通過高起點設計，建設具有高重復頻率、高光子能量、高通量及極短脈寬的多束線站，提供最短脈寬小于60as、最高光子能量可達到500eV的超快相干輻射，并配備建設相應的應用研究平臺，建成后綜合指標有望實現國際領先。這臺裝置的建成將在阿秒動力學研究方面具有重要意義，加強了中國在超快科學領域的競爭力。

回首百年，阿秒光學終于能夠回答愛因斯坦光電效應的時間尺度問題；展望未來，阿秒激光終將達到我來-我見-我征服的第三層境界，實現人為干預原子行為，無數的應用前景必將為我們帶來又一個如今不可想象的美好未來。

在歷史長河中，千千萬萬人抬頭，凝視浩瀚星空，仰觀宇宙之大，也有數不勝數不人低頭，俯察品類之盛。阿秒脈沖讓我們進一步走入了人類曾無法探索的微觀世界?！肮湃瞬灰娊駮r月，今月曾經照古人?！币粋€個問題被解決，一個個困難被克服，我們走到了千人未有之高度，回答了前人矢志追求的問題，愿今人為尋真理，繼續前行！