阿秒激光：为“狂飙”的电子摄影

本文转自：科技日报

阿秒激光：为“狂飙”的电子摄影

——解读2023年诺贝尔物理学奖

激光被分成两束，其中一束用于生成阿秒脉冲序列，再与另一束结合用于观察实验

皮埃尔·阿戈斯蒂尼（左）、费伦茨·克劳斯（中）和安妮·吕利耶（右）因“用实验方法产生了可用于研究物质中的电子动力学的阿秒量级光脉冲”而获得2023年诺贝尔物理学奖。

◎本报记者 刘 霞

就像我们用光来观察周围的宏观世界一样，我们也可以用光来探测亚原子世界。但必须遵守一个原则：任何测量都必须快于被研究系统发生明显变化所需的时间，否则只能得到模糊的结果。

在一个分子中，原子在飞秒（千万亿分之一秒，10^-15秒）时间尺度内运动，其位置和能量在1到几百阿秒内发生变化，要对其运动进行测量，飞秒技术“爱莫能助”。

阿秒有多短暂呢？1阿秒是10^-18秒，也就是十亿分之一秒的十亿分之一。1阿秒之于1秒，相当于1秒之于宇宙的年龄（138亿年）。一束光从房间的一边到达对面墙上，就需要100亿阿秒。

阿秒脉冲“现形记”

如何让光脉冲达到阿秒量级？理论上，可通过组合多个波长的短波长激光脉冲来产生更短的光脉冲。

中国科学院物理研究所研究员魏志义向科技日报记者解释道：“要产生新的波长不仅需要飞秒激光驱动，还需要聚焦到气体，通过光与气体原子的相互作用产生所谓的高次谐波，高次谐波是在驱动激光的一个周期中，产生两个周期的波。”

1987年，吕利耶及其同事将一束红外激光聚焦到惰性气体，结果发现产生的谐波比之前用较短波长激光驱动所产生的谐波更多、更强，并且观测到的许多谐波具有相似的光强。

进一步研究发现，在适当情况下，谐波重合后会出现一系列紫外波段的激光脉冲，其中每个脉冲时长仅几百阿秒。

2001年，阿戈斯蒂尼及其在法国的同事成功产生了一系列仅持续250阿秒的脉冲串。费伦茨·克劳斯和其在奥地利的伙伴们则另辟蹊径，成功隔离出持续时长650阿秒的单个孤立光脉冲，而且用其跟踪和研究了将电子从原子中“拉”出来的过程。

“正是以这3位科学家为代表的研究人员历时十几年的工作，通过聪明才智和不懈努力，使超快科学迈入了阿秒时代。”魏志义说。

有望在多个领域“大显身手”

一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次，用人眼是无法看清的，但用高速摄像机就可将其动作定格成一帧帧清晰的画面。

“阿秒光脉冲正是研究微观物质世界的‘高速摄像机’，可将‘狂飙’的电子定格下来进行观察。”魏志义满怀希望地表示，“在（阿秒）如此短的时间尺度上研究和理解电子，有望促进超高速电子学的快速发展，有朝一日可能催生更强大的计算机芯片。它还使我们能够根据分子的电子特性来区别分子，并用于快速准确的疾病诊断。”

据魏志义介绍，目前国际上除上述研究团队外，美国、加拿大、意大利、瑞士、日本、韩国等国家的多个研究团队也一直在开展关于阿秒脉冲的产生及其在物理、化学、生物等诸多领域的应用研究。

“如美国中佛罗里达大学常增虎教授团队先后于2012年及2017年两次创造了最短阿秒脉冲的世界纪录，瑞士联邦技术大学于2017年创造的43阿秒脉冲迄今仍保持着目前最短的世界纪录。特别是欧盟在匈牙利建设了以阿秒激光为主体内容的极端光设施（ELI-ALPS），用以提供不同领域的科学家开展阿秒科学研究”。对于阿秒领域的成果，魏志义如数家珍。

阿秒光脉冲的研究也得到中国科学家的广泛重视。中国科学院物理研究所、上海光机所、西安光机所、北京大学、华东师范大学、国防科技大学、华中科技大学等单位都在开展阿秒科学的研究。2013年，魏志义课题组首次在国内产生并测得了160阿秒的孤立阿秒脉冲，目前正在进一步朝着更短脉宽、更高能量及更高重复频率的方向发展，结合终端设备，为阿秒激光在凝聚态物理、原子分子物理、化学、生物医学、信息、能源等领域的研究提供国际领先的平台与设施。