龍海濤

2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)名譽(yù)教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德國(guó)馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所教授費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大學(xué)教授安妮·呂利耶（Anne LHuillier）。過去，想捕捉電子的移動(dòng)是不可能實(shí)現(xiàn)的事情，然而，這三位物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種產(chǎn)生極短光脈沖的方法，可用于測(cè)量電子移動(dòng)或改變能量的快速過程。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”。什么是阿秒？阿秒技術(shù)將給我們的生活帶來哪些變化？

“阿秒”的誕生：讓人類看到更精微的世界

自然界里的各種物理過程，其運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度是不同的。比如，人們用肉眼就可以清晰分辨出運(yùn)動(dòng)員劃水的過程；子彈擊穿蘋果的過程雖然無法用肉眼捕捉，但是可借助高速攝像機(jī)拍攝后以慢動(dòng)作呈現(xiàn)。相比之下，自然界微觀世界的粒子運(yùn)動(dòng)更快，因此人類需要研制更細(xì)微、更精確的工具來觀察物質(zhì)世界。

人類在對(duì)自然界瞬態(tài)過程的探索中，陸續(xù)達(dá)到了毫秒（10-3秒）、微秒（10-6秒）、納秒（10-9秒）、皮秒（10-12秒）和飛秒（10-15秒）的時(shí)間分辨。納秒、皮秒和飛秒量級(jí)的脈沖激光器相繼于1962年、1966年和1974年被研發(fā)出來。到了20世紀(jì)80年代，更低噪聲、更高穩(wěn)定性且如今應(yīng)用最廣泛的鈦藍(lán)寶石激光器問世。1999年，艾哈邁德·澤維爾因“用飛秒光譜學(xué)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)的研究”獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了超強(qiáng)超短激光的啁啾脈沖放大技術(shù)的發(fā)明者，啁啾脈沖放大技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度飛秒激光脈沖的關(guān)鍵技術(shù)之一。

皮秒可以觀測(cè)到分子的運(yùn)動(dòng)，飛秒可以觀測(cè)到化學(xué)反應(yīng)中原子的運(yùn)動(dòng)，如果要更進(jìn)一步觀察電子以及原子核內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程，就需要更小的時(shí)間單位。

這時(shí)候出現(xiàn)了一個(gè)新的時(shí)間單位—阿秒。阿秒是目前已知的最小的時(shí)間單位。阿秒有多短暫呢？1阿秒是10-18秒。1阿秒之于1秒，相當(dāng)于1秒之于宇宙的年齡（138億年）。光1秒傳播的距離可以繞地球7.5圈，而光在1阿秒內(nèi)只能從水分子的一端傳播到另一端。

阿秒光脈沖技術(shù)是人類目前所掌握的最快的時(shí)間尺度。相干光脈沖從皮秒進(jìn)步到阿秒，不僅是時(shí)間尺度的簡(jiǎn)單進(jìn)步，更重要的是將人們研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力從分子、原子運(yùn)動(dòng)推進(jìn)到了原子內(nèi)部，可以對(duì)電子運(yùn)動(dòng)和關(guān)聯(lián)行為進(jìn)行探測(cè)，從而可以引發(fā)基礎(chǔ)物理研究的重大革命。

三位科學(xué)家的貢獻(xiàn)

本次獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，將光脈沖寬度從皮秒精確到了阿秒量級(jí)。1987年，安妮·呂利耶發(fā)現(xiàn)，在紅外激光通過稀有氣體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多不同的光的“泛音”。它們是由激光與氣體中的原子相互作用引起，這種作用給予一些電子額外的能量，然后以光的形式發(fā)射出來。隨后安妮·呂利耶繼續(xù)探索這一現(xiàn)象，為后續(xù)的突破奠定了基礎(chǔ)。2001年，皮埃爾·阿戈斯蒂尼成功地制造并研究了一系列連續(xù)的光脈沖，每個(gè)脈沖僅持續(xù)250阿秒。與此同時(shí)，費(fèi)倫茨·克勞斯在另一種類型的實(shí)驗(yàn)中成功分離出可持續(xù)650阿秒的單個(gè)光脈沖。

安妮·呂利耶

安妮·呂利耶1958年在巴黎出生，目前在瑞典隆德大學(xué)擔(dān)任原子物理學(xué)教授。1987年，她首次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了高次諧波現(xiàn)象，并在這次實(shí)驗(yàn)后決定投入到這一研究領(lǐng)域。1992年，她參與安裝了歐洲第一個(gè)用于飛秒脈沖的鈦藍(lán)寶石固態(tài)激光器。2003年，她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)產(chǎn)生了170阿秒脈寬的脈沖激光，打破了世界紀(jì)錄。2021年，她因在超快激光科學(xué)和阿秒物理方面的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)而被美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)授予馬克斯·伯恩獎(jiǎng)。2022年，呂利耶獲得了沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)，一年后，她成為諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)歷史上第五位女性獲獎(jiǎng)?wù)摺?h3>費(fèi)倫茨·克勞斯

費(fèi)倫茨·克勞斯是匈牙利裔奧地利人。2003年，他被任命為德國(guó)馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所所長(zhǎng)，2004年成為德國(guó)慕尼黑大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)系主任。2006年，他與同事共同創(chuàng)建了慕尼黑先進(jìn)光子學(xué)研究中心。他的主要研究領(lǐng)域是超短脈沖激光技術(shù)、高場(chǎng)物理、阿秒物理。早在20世紀(jì)90年代，克勞斯就對(duì)用激光產(chǎn)生超短光脈沖產(chǎn)生了濃厚的興趣。2001年，他帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)產(chǎn)生并測(cè)量了第一個(gè)阿秒光脈沖，并用它來捕捉原子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)，標(biāo)志著阿秒物理的誕生。他還對(duì)飛秒脈沖波形進(jìn)行控制，并由此產(chǎn)生可重復(fù)的阿秒脈沖，從而建立了阿秒測(cè)量技術(shù)?，F(xiàn)在，他正在將飛秒激光技術(shù)作為阿秒測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)，進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的紅外光譜，用于篩查人類的早期疾病。

皮埃爾·阿戈斯蒂尼

皮埃爾·阿戈斯蒂尼是美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)名譽(yù)教授，專注于激光與原子分子相互作用的研究。他于1968年獲得法國(guó)艾克斯-馬賽大學(xué)博士學(xué)位。1979年，阿戈斯蒂尼第一次發(fā)現(xiàn)了激光與原子作用時(shí)的多光子電離效應(yīng)。2001年，他成功地制造并研究了一系列連續(xù)的光脈沖，每個(gè)脈沖僅持續(xù)250阿秒。阿戈斯蒂尼是第一批通過實(shí)驗(yàn)制造出阿秒光脈沖的科學(xué)家之一。阿戈斯蒂尼的研究領(lǐng)域頗廣，包括高次諧波的產(chǎn)生、飛秒和亞次諧波的產(chǎn)生、激光與物質(zhì)相互作用等。

我國(guó)首個(gè)阿秒激光裝置正在建設(shè)中

位于我國(guó)粵港澳大灣區(qū)的松山湖材料實(shí)驗(yàn)室，正在規(guī)劃一臺(tái)阿秒激光裝置。該裝置具備高重復(fù)頻率、高光子能量、高通量及極短脈寬的超快相干輻射，并配備建設(shè)相應(yīng)的應(yīng)用研究平臺(tái)，建成后綜合指標(biāo)有望實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先。在我國(guó)，與阿秒激光相關(guān)的研究被納入國(guó)家重要發(fā)展方向，已經(jīng)建成的相關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及正在規(guī)劃的科學(xué)裝置，將為阿秒動(dòng)力學(xué)的研究提供重要的創(chuàng)新手段。

阿秒技術(shù)影響眾多領(lǐng)域

當(dāng)今，在全世界的實(shí)驗(yàn)室里，阿秒級(jí)設(shè)備和裝置越來越普及，正被科學(xué)家作為一種全新的測(cè)量工具來觀察和理解電子、原子和分子的運(yùn)動(dòng)過程。這對(duì)于醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、物理、化學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域的科研發(fā)展具有重要意義。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，阿秒相機(jī)可以幫助醫(yī)生對(duì)微觀病灶進(jìn)行精確診斷和治療；阿秒光脈沖可以用于發(fā)現(xiàn)早期癌癥指標(biāo)。

在材料科學(xué)領(lǐng)域，阿秒技術(shù)可以用來研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從而推動(dòng)新型材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。

在能源科學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家可以通過阿秒技術(shù)提高能源利用效率并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

在化學(xué)領(lǐng)域，基于阿秒光脈沖技術(shù)，科學(xué)家有望精確設(shè)計(jì)和控制化學(xué)反應(yīng)的方向，減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

在物理學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家可以通過阿秒光脈沖將絕緣物質(zhì)變成導(dǎo)電物質(zhì)。

在電子學(xué)領(lǐng)域，有朝一日科學(xué)家可以通過阿秒技術(shù)催生更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)芯片。阿秒技術(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)更快速的量子計(jì)算。在量子計(jì)算中，量子比特之間的相互作用非常關(guān)鍵，而阿秒級(jí)別的計(jì)時(shí)可以更好地揭示這些相互作用。

此外，阿秒計(jì)時(shí)技術(shù)可以幫助科學(xué)家更精確地測(cè)量時(shí)間，進(jìn)一步揭示物質(zhì)和能量之間的相互作用。這對(duì)于基礎(chǔ)科學(xué)研究、精密計(jì)時(shí)、導(dǎo)航定位等領(lǐng)域具有重要意義。

總之，阿秒技術(shù)將為我們提供更深入、更精確的微觀世界的窗口，對(duì)很多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并將改變我們的生活。正如諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席伊娃·奧爾森所說：“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?！?/p>

【責(zé)任編輯】蒲 暉