观察微观粒子运动有了“超快摄像机”

本文转自：解放日报

以阿秒光脉冲打开通往电子世界大门，三名科学家获2023年诺贝尔物理学奖

观察微观粒子运动有了“超快摄像机”

和苗/付一鸣/黄海华/俞陶然

这是2023年诺贝尔物理学奖公布现场。 新华社发 据新华社斯德哥尔摩10月3日电（记者 和苗 付一鸣）瑞典皇家科学院3日宣布，将2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·吕利耶，以表彰他们将产生阿秒光脉冲的实验方法用于研究物质的电子动力学。

瑞典皇家科学院常任秘书汉斯·埃勒格伦当天在皇家科学院会议厅公布了获奖者名单及主要成就。他说，今年的获奖成果是实验方法，为人类探索原子和分子内的电子世界提供了新工具。

阿戈斯蒂尼是美国俄亥俄州立大学教授；克劳斯是德国马克斯·普朗克量子光学研究所主任和德国慕尼黑大学教授；吕利耶是瑞典隆德大学教授。

本报记者 黄海华 俞陶然

有人这样形容阿秒光脉冲，“不管你如何盯着它看，肯定无法看到它，因为它的持续时间实在是太短了。”1阿秒到底有多短？目前，人类能观测到的最长时间尺度是宇宙的年龄——约为140亿年；1阿秒等于10的负18次方秒。也就是说，1阿秒相比1秒，相当于1秒相比宇宙的年龄。

昨天，2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·吕利耶，以表彰他们“将产生阿秒光脉冲的实验方法用于研究物质的电子动力学”。这些实验为人类探索原子和分子内的电子世界提供了新的工具，可测量电子移动或改变能量的快速过程。

为基础科研提供新工具

“此次奖励的是三位物理学家的实验工作，安妮·吕利耶第一个通过实验产生了高次谐波平台区光谱，这是产生阿秒光脉冲的实验技术基础，其他两位科学家观察到了阿秒光脉冲产生的直接证据。”复旦大学物理学系教授陶镇生告诉记者。

科学家为什么要在这么短的时间尺度内制备激光脉冲？上海交通大学物理与天文学院激光等离子体教育部重点实验室教授何峰告诉记者，为了看清一些非常快的过程，如子弹穿过苹果的瞬间，科学家发明了高速摄像机，用它来捕捉那些转瞬即逝的过程。而在微观世界，原子、分子等微观粒子的运动时间尺度比“子弹穿过苹果”要短得多。想要看清这个过程，科学家就必须研制出能“看清”微观粒子运动的“超快摄像机”——阿秒光脉冲。

“想象一下照相机的拍摄，快门把光切成一段一段，阿秒光脉冲则把时间切到了10的负18次方秒这么短，通过光谱我们可以看到电子在原子周围高速运动。在这之前，激光器最快只能达到10的负15次方秒。”陶镇生说，这为基础科研提供了一个有力的新工具。就拿爱因斯坦曾获得诺奖的光电效应来说，之前人们并不清楚光电效应究竟是在多长时间内发生的，有了阿秒光脉冲，这就明朗了。

未来潜在的应用价值

未来，阿秒光脉冲有什么潜在的应用价值？

诺贝尔物理委员会主席伊娃·奥尔松表示：“我们现在可以打开通往电子世界的大门，阿秒物理学给我们提供了理解电子控制机制的机会，下一步将是利用它们。”例如，在电子学中，理解和控制电子在材料中的行为非常重要；阿秒光脉冲也可以用于医学诊断来识别不同的分子。

陶镇生认为，它可以作为光波的示波器，从而扩展通讯带宽。

何峰说，它是人类认识自然的眼睛，在物理学、化学、生物学、材料学等很多学科领域将获得广泛持久的应用。以化学为例，化学反应中涉及到的化学键的合成和断裂，本质上是阿秒级时间尺度内带电粒子（电子，原子核）的相互作用。利用阿秒光脉冲，科学家有望“看清”各种化学反应的过程，从而理解反应的机理，在此基础上研究如何控制反应过程，以获得新的产物。

与化学研究相仿，生物学、材料学等学科研究的对象，本质上也是微观粒子在阿秒级时间尺度内的相互作用。因此，阿秒光脉冲具有广泛而重要的应用价值，是人类研究微观世界的“神器”。

近年来，上海建设了多个光子科学领域的大科学装置，其中就有产生阿秒光脉冲的实验平台。我国科学家正利用这种“国产”先进激光，开展前沿科技探索。