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        捕捉稍縱即逝的瞬間
        ——2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)解讀

        2024-02-16 13:58:04蘭從古席澤華
        發(fā)明與創(chuàng)新 2024年3期

        ◆蘭從古 席澤華

        2023 年10 月3 日,瑞典皇家科學(xué)院鄭重宣布,將2023 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國俄亥俄州立大學(xué)的皮埃爾·阿戈斯蒂尼、德國馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的費(fèi)倫茨·克勞斯和瑞典隆德大學(xué)的安妮·勒惠利爾,以表彰他們對(duì)研發(fā)阿秒脈沖激光技術(shù)作出的杰出貢獻(xiàn)。這項(xiàng)技術(shù)為了解物質(zhì)內(nèi)部的微觀動(dòng)態(tài)提供了視覺上的“火眼金睛”。

        圖1 2023 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主——左起:皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費(fèi)倫茨·克勞斯、安妮·勒惠利爾(圖/諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)官網(wǎng))

        什么是阿秒脈沖激光

        阿托秒(as)又稱阿秒,是人類掌握的最小時(shí)間分辨尺度。1 阿秒表示百億億分之一秒,相當(dāng)于1 秒鐘與宇宙年齡138 億年的大小差別。更貼切地來形容——光在真空中1 秒鐘能傳播30 萬千米,1 阿秒只能傳播0.3納米。可見1 阿秒是多么短暫。

        激光可分為連續(xù)激光和脈沖激光。1 阿秒或幾十甚至幾百阿秒閃爍一次的脈沖激光,稱為阿秒脈沖激光;飛秒(fs)也稱毫微微秒,1飛秒(1000 as)或幾十甚至幾百飛秒閃爍一次的脈沖激光,稱為飛秒脈沖激光。顯然,無論是飛秒脈沖激光還是阿秒脈沖激光,其閃爍速度都快得驚人。

        2001 年,皮埃爾?阿戈斯蒂尼及其法國同事,通過實(shí)驗(yàn)成功獲取了一系列閃爍的激光。他們使用特殊的技術(shù),測(cè)得激光每次閃爍停頓時(shí)間為250 阿秒,也就是250 阿秒的脈沖激光。與此同時(shí),費(fèi)倫茨?克勞斯和他的奧地利伙伴們,研究出一種可以選擇單個(gè)脈沖的技術(shù),借此從其他光線中成功隔離出650 阿秒脈沖激光。

        阿秒脈沖激光“現(xiàn)形”

        為便于理解,我們首先需要明白兩個(gè)道理:一是包括激光在內(nèi)的一切光線,表現(xiàn)為交替變換的電場(chǎng)和磁場(chǎng),兩種統(tǒng)稱為光場(chǎng)。光的傳播伴隨光場(chǎng)的交替變換,其變換一次的時(shí)間稱為光的波動(dòng)周期。二是構(gòu)成物質(zhì)的原子內(nèi)部,原子核吸引電子繞其旋轉(zhuǎn),一旦電子獲得能量,便會(huì)到處亂竄,甚至脫離原子核的吸引,當(dāng)返回原位時(shí)會(huì)放出光子,即一絲光。

        氣體原子受高能飛秒脈沖激光照射,內(nèi)部電子吸收了激光的能量變得十分活躍,從而掙脫原子核的束縛,成為行動(dòng)自由的“流浪兒”。這種流浪電子受到激光的光場(chǎng)作用飛離原子,又隨激光光場(chǎng)方向的改變飛回原子。在復(fù)歸原位時(shí),將原本吸收的激光能量以高能光子的形式釋放,這些被釋放的光子間存在極短的間隔,形成阿秒脈沖激光。

        這個(gè)過程屬于物理學(xué)上的高次諧波效應(yīng)。舉例來說,如果把石頭看作飛秒脈沖激光,把湖面看成氣體原子,濺起的水花相當(dāng)于電子,石頭砸入水面濺起的水花形成層層漣漪,從特定角度看,水紋交替隆起又迅速消失。如此,石頭對(duì)水面振蕩一次激起千層波浪,相當(dāng)于閃爍較慢的飛秒脈沖激光引發(fā)快速閃爍的阿秒脈沖激光。

        助力探察微觀世界

        阿秒脈沖激光技術(shù)是一種新的探察原子或分子內(nèi)部微觀世界的工具,為探索電子世界打開了大門。

        然而,如何運(yùn)用阿秒脈沖激光技術(shù)完美捕捉稍縱即逝的目標(biāo)的清晰圖像呢?電影中能與光并肩奔跑的閃電俠,人們用肉眼根本無法看清他的動(dòng)作,但如果我們的速度與閃電俠一致,或許就能清晰地看到他的一舉一動(dòng)。分子或原子內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)速度同樣驚人,其位置、分布和路徑等變化都以飛秒或阿秒級(jí)進(jìn)行,傳統(tǒng)儀器自然無法將其觀察仔細(xì)。借助阿秒脈沖激光技術(shù),觀察時(shí)就如同擁有了與瞬間變化同樣之快的“魔力”。

        圖3 高速相機(jī)拍攝的子彈穿透玻璃的圖像(圖/圖蟲創(chuàng)意)

        具體來說,利用阿秒脈沖激光技術(shù)可測(cè)量電子脫離原子和回歸原子的速度和路線。例如:化學(xué)反應(yīng)是電子在不同原子之間轉(zhuǎn)移的過程,然而電子如何轉(zhuǎn)移?轉(zhuǎn)移到新的地方又呈怎樣的分布?人類借助阿秒脈沖激光技術(shù)就能認(rèn)清和控制化學(xué)反應(yīng),為開發(fā)新材料、新技術(shù)提供重要依據(jù)。當(dāng)光子沖擊某個(gè)原子時(shí),內(nèi)部電子如何離開原子核?剩下的電子和原子核之間如何相互作用?我們也可以使用同樣的方法探明這些問題,便于重新排列物質(zhì)內(nèi)部電子的分布,有望在醫(yī)學(xué)和研發(fā)新材料領(lǐng)域“大顯身手”。

        該類研究在我國的發(fā)展

        2013 年,中國科學(xué)院物理研究所魏志義課題組成功實(shí)現(xiàn)了160 孤立阿秒脈沖測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果,取得了這一領(lǐng)域的重大突破。2020 年,華中科技大學(xué)、國防科技大學(xué)和中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所等研究團(tuán)隊(duì),也先后實(shí)現(xiàn)了阿秒脈沖激光的獲取和測(cè)量。

        近年來,我國開始大規(guī)模開展有關(guān)阿秒脈沖激光設(shè)施設(shè)備的建設(shè)。如中國科學(xué)院物理研究所在東莞松山湖的阿秒科學(xué)中心、西安光機(jī)所阿秒科學(xué)與技術(shù)研究中心,以及北京懷柔綜合極端條件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的百阿秒裝置??蒲腥藛T依托這些科研平臺(tái),取得了豐碩成果。目前,我國阿秒脈沖激光大概為70 阿秒的量級(jí)。

        阿秒脈沖激光技術(shù)為探索自然、了解世界打開了另一扇窗。未來,這項(xiàng)技術(shù)或?qū)⒃诟囝I(lǐng)域發(fā)揮更大作用。

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