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 L'Huillier）。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)或改變能量過程的速度，為人類探索電子世界提供了新工具”。

什么是阿秒

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1980年，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。阿秒是人類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l阿秒內(nèi)只能從水分子的一端傳播到另一端。阿秒光脈沖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)部的運(yùn)動(dòng)。

阿秒技術(shù)影響眾多領(lǐng)域

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，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，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。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>

（龍海濤／文，據(jù)微信公眾號(hào)“百科知識(shí)”2023年12月28日）

超快激光領(lǐng)域的未來

未來，激光脈沖寬度將從阿秒縮短至仄秒，光子能量將推進(jìn)至硬X射線和伽馬射線波段。此外，阿秒激光能量太低，是限制其應(yīng)用的最主要原因，在可預(yù)測(cè)的未來，超快激光領(lǐng)域再次獲諾貝爾獎(jiǎng)將從高能量阿秒新機(jī)理、阿秒應(yīng)用及下一個(gè)量級(jí)的仄秒脈沖中產(chǎn)生。

2021年《Science》發(fā)布的“全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問題”中，有10余個(gè)問題需要通過超快科學(xué)探索解決。例如：復(fù)雜激光場(chǎng)中的多體量子相互作用；超導(dǎo)機(jī)制一電子庫(kù)珀對(duì)的形成；太陽(yáng)能電池的光轉(zhuǎn)換一電荷轉(zhuǎn)移激子解離過程；生物分子之間的電荷轉(zhuǎn)移過程；實(shí)現(xiàn)PHz開關(guān)，將現(xiàn)有的電路響應(yīng)速度提高10萬(wàn)倍以上；等等。上述問題都直接與電子動(dòng)力學(xué)相關(guān)。

阿秒脈沖將有望在多個(gè)科學(xué)和應(yīng)用研究領(lǐng)域涌現(xiàn)出眾多原始創(chuàng)新。當(dāng)前，國(guó)際上已經(jīng)開始進(jìn)行阿秒激光設(shè)施的建設(shè)和競(jìng)爭(zhēng)。

（佚名／文，據(jù)微信公眾號(hào)“中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所”2023年10月21日）

適用話題：

科技、科學(xué)、速度、發(fā)展、進(jìn)步、影響等。