前言

北京時(shí)間10月3日17時(shí)50分許，在瑞典首都斯德哥爾摩，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(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），三人平分獎(jiǎng)金，“表彰他們?yōu)檠芯课镔|(zhì)中的電子動(dòng)力學(xué)而產(chǎn)生阿秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)方法”。他們的實(shí)驗(yàn)為人類提供了探索原子和分子內(nèi)部電子世界的新工具，制造出來(lái)的極短的光脈沖，可以捕捉電子移動(dòng)或能量變化的快速過(guò)程。

阿秒脈沖為什么能獲得諾貝爾獎(jiǎng)，它對(duì)物理科學(xué)界發(fā)展又有什么意義，下面讓小編帶您一起走近阿秒脈沖。

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阿秒是什么?

首先提出一個(gè)問(wèn)題：馬兒在疾馳的時(shí)候，是四腳同時(shí)騰空，還是始終有一腳著地呢?

十九世紀(jì)，這個(gè)著名的學(xué)界之問(wèn)得到了解答。1878年，著名的攝影師埃德沃德·邁布里奇改進(jìn)了當(dāng)時(shí)的快門(mén)設(shè)計(jì)，在跑道上放了一共12處相機(jī)和機(jī)關(guān)，成功地拍下了馬兒奔跑的全過(guò)程。

通過(guò)拼接后的照片，人們找到了問(wèn)題的答案：快馬奔馳時(shí)，的確有那么一個(gè)瞬間四條腿會(huì)同時(shí)離開(kāi)地面。

馬兒奔跑過(guò)程照片

在攝影技術(shù)中，一個(gè)“快門(mén)”時(shí)間內(nèi)可以曝光并記錄一個(gè)動(dòng)作，動(dòng)作發(fā)生時(shí)間越短，需要記錄它的“快門(mén)”就相應(yīng)地要求越短，否則圖像就會(huì)出現(xiàn)虛影。因此，提高照相機(jī)的快門(mén)速度(時(shí)間分辨能力)，可以讓我們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)提高到一個(gè)更高平。

快馬的奔馳盡管很快，但是頂多在0.01的數(shù)量級(jí)，那如何觀測(cè)更快的運(yùn)動(dòng)呢?

高中時(shí)代，我們?cè)?tīng)聞過(guò)“飛秒”化學(xué)。1飛秒只有1秒的一千萬(wàn)億分之一，即1e^?15秒，是極其小的一個(gè)時(shí)間單位,縱使是光，也只能在1飛秒內(nèi)走300nm。而今天要介紹的阿秒，則是1秒的100億億分之一！（我的速度在你之上！）

相對(duì)于宏觀物體來(lái)說(shuō)，微觀世界的物質(zhì)（原子、分子）運(yùn)動(dòng)的速度更快，為了研究這種運(yùn)動(dòng)，科學(xué)家們發(fā)明了飛秒激光，光脈沖的持續(xù)時(shí)間短至10-15秒，我們終于可以看清一個(gè)原子是怎么運(yùn)動(dòng)的了。

飛秒激光是人類在實(shí)驗(yàn)室條件下所能獲得最短脈沖的技術(shù)手段，飛秒激光在瞬間發(fā)出的巨大功率比全世界發(fā)電總功率還大，已有所應(yīng)用，科學(xué)家預(yù)測(cè)飛秒激光將為下世紀(jì)新能源的產(chǎn)生發(fā)揮重要作用。

可是科學(xué)家仍然沒(méi)有停止腳步：他們還想看看原子內(nèi)部的電子是怎么運(yùn)動(dòng)的。

原子核內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)速度更快，氫原子基態(tài)電子繞原子核旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間是150阿秒，這就意味著飛秒激光已經(jīng)看不清電子的運(yùn)動(dòng)了，人們需要時(shí)間寬度在阿秒量級(jí)的激光。如何制造阿秒激光就成為了新挑戰(zhàn)。

阿秒作為一個(gè)時(shí)間單位，1 阿秒=10^-18 秒，這是什么概念呢？

我們看一下光在相應(yīng)時(shí)間單位內(nèi)可以傳播多長(zhǎng)距離：1秒內(nèi)光傳播30萬(wàn)千米，可以環(huán)繞地球約7.5 次，在1 ps時(shí)間內(nèi)，只能傳播0.3mm的距離；在1fs時(shí)間內(nèi)，則只能傳播0.3μm，這個(gè)距離甚至不到一根頭發(fā)絲的百分之一；而在1as 時(shí)間內(nèi)，光只能傳播0.3nm，也就是3個(gè)緊緊排在一起氫原子的長(zhǎng)度(或者說(shuō)，1 as的時(shí)間還不夠光繞氫原子的“赤道”跑一圈)。更具體地來(lái)說(shuō)，一道光從一間尋常大小房間的一端傳播到另一端的墻上，這需要上百億阿秒。

阿秒示意

而激光通過(guò)時(shí)對(duì)電子“撥弄”的程度不同，會(huì)使得這些諧波光的波長(zhǎng)各有不同。這讓科學(xué)家馬上想到：根據(jù)波的疊加原理，波長(zhǎng)不同的一組光之間相互疊加，可以產(chǎn)生變亮和變暗交替的疊加效果；如果合理選擇初始條件，那么這些諧波光疊加之后形成的亮暗交替現(xiàn)象，就可以充當(dāng)攝像機(jī)里的快門(mén)，從而實(shí)現(xiàn)超短時(shí)間的光脈沖。

也就是說(shuō)，由于電子擾動(dòng)產(chǎn)生的光波，經(jīng)過(guò)人為調(diào)節(jié)后，可以重新成為觀察電子運(yùn)動(dòng)的神奇工具。這啟發(fā)了科學(xué)家們的靈感。

經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算和不斷地調(diào)節(jié)初始條件，人們終于實(shí)現(xiàn)了這一設(shè)想：2001年，皮埃爾-阿戈斯蒂尼通過(guò)這種方法，產(chǎn)生了時(shí)長(zhǎng)為250阿秒的脈沖光，這相當(dāng)于每秒鐘按快門(mén)四千萬(wàn)億次！

幾乎在同一時(shí)間，費(fèi)倫茨·克勞斯采用了一種完全不同的實(shí)驗(yàn)策略，也成功實(shí)現(xiàn)了時(shí)長(zhǎng)為650阿秒的光脈沖，與皮埃爾-阿戈斯蒂尼的實(shí)驗(yàn)不同的是，這一實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了單個(gè)阿秒光脈沖。

在這之后，新世界的大門(mén)打開(kāi)了：來(lái)自全世界各地的科學(xué)家紛紛跟進(jìn)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)機(jī)制和實(shí)驗(yàn)條件，將脈沖光的長(zhǎng)度進(jìn)一步壓縮，提升阿秒激光這一“高速攝像機(jī)”的性能。中國(guó)科學(xué)院物理研究所的魏志義課題組在2013年實(shí)現(xiàn)了160阿秒的單個(gè)光脈沖，標(biāo)志著我國(guó)也在阿秒激光領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。

阿秒閃光產(chǎn)生的快照

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為什么科學(xué)家會(huì)致力于阿秒光脈沖的研究？阿秒科學(xué)的意義是什么？

人類認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)著的世界最初的工具是自己的雙眼。慢慢地，人們發(fā)現(xiàn)，單憑眼睛觀察運(yùn)動(dòng)已經(jīng)不夠用了。如上文提到的馬兒奔跑的問(wèn)題。快馬奔跑時(shí)，確實(shí)會(huì)有一個(gè)瞬間，在奔馳中馬兒的四條腿會(huì)同時(shí)離開(kāi)地面。在此基礎(chǔ)上，人們發(fā)展出了電影技術(shù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類將運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)由宏觀世界拓寬到了微觀世界。人們發(fā)明了電子顯微鏡，電子顯微鏡雖然具有超高的空間分辨能力，但是沒(méi)有超高的時(shí)間分辨能力，因此只能探測(cè)靜態(tài)的物質(zhì)微觀世界的空間結(jié)構(gòu)。要想探測(cè)運(yùn)動(dòng)的微觀世界，科學(xué)家們還需另尋他法。

終于在1960年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼發(fā)現(xiàn)了人類探尋微觀世界的另一把鑰匙：激光。如果你想要清楚地看清一個(gè)運(yùn)動(dòng)，那么你的快門(mén)就得足夠快！比如想要觀察到分子旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，就至少需要皮秒（10^（-12）秒）量級(jí)的脈沖激光；想要觀測(cè)到化學(xué)鍵的振動(dòng)動(dòng)力學(xué)，就需要飛秒（10^（-15）秒）量級(jí)的脈沖激光。1991年，D. E. Spence 等人利用自鎖模技術(shù)，以摻鈦藍(lán)寶石為增益介質(zhì)，獲得了60飛秒的激光脈沖，這被看成是人類歷史上第一束真正意義上的飛秒激光脈沖。

然而，要想繼續(xù)進(jìn)行微觀物理的研究，飛秒激光也顯得“力不從心”了，在分子中，原子的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)以飛秒為單位；但當(dāng)整個(gè)原子運(yùn)動(dòng)時(shí)，其時(shí)間尺度是由原子內(nèi)部又大又重的原子核決定的。與光和輕巧靈活的電子相比，原子核的運(yùn)動(dòng)極其緩慢。當(dāng)電子在原子或分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們的速度非常快，以至于飛秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)就會(huì)看不清它們的運(yùn)動(dòng)。這就是我們需要阿秒激光的原因。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)伊娃·奧爾森說(shuō)：“我們現(xiàn)在可以打開(kāi)通往電子世界的大門(mén)了。阿秒物理學(xué)，使我們有機(jī)會(huì)了解電子控制的機(jī)制，下一步將是如何應(yīng)用。”

那么，阿秒科學(xué)能夠應(yīng)用在什么方面呢？

1. 精密計(jì)時(shí)：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)候，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。

2. 原子分子物理：阿秒光脈沖可以用來(lái)研究原子分子中的電子結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和相互作用，例如電子軌道成像、電子隧穿、電離、解離、退激等過(guò)程。

3. 凝聚態(tài)物理：阿秒光脈沖可以用來(lái)研究凝聚態(tài)物理，研究固體材料中的電子、聲子、自旋和磁性等物質(zhì)的超快變化，例如電子相變、聲子動(dòng)力學(xué)、自旋動(dòng)力學(xué)、磁疇壁運(yùn)動(dòng)等過(guò)程。

4. 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：阿秒光脈沖可以用來(lái)研究化學(xué)反應(yīng)的微觀機(jī)制，例如反應(yīng)坐標(biāo)、過(guò)渡態(tài)、反應(yīng)速率、反應(yīng)路徑等參數(shù)。

5. 分子生物物理：阿秒光脈沖可以用來(lái)研究生物分子的結(jié)構(gòu)和功能，例如蛋白質(zhì)的折疊、解折疊、構(gòu)象變化、功能調(diào)控等過(guò)程。

6. 納米光學(xué)：阿秒光脈沖可以用來(lái)研究納米尺度的光學(xué)現(xiàn)象，例如表面等離激元、納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)響應(yīng)、納米粒子的光學(xué)操控等效應(yīng)。

7. X射線科學(xué)：阿秒光脈沖可以用來(lái)產(chǎn)生高亮度的軟X射線和硬X射線，從而實(shí)現(xiàn)X射線的時(shí)間分辨率和空間分辨，例如X射線衍射、X射線吸收、X射線發(fā)射等技術(shù)。

阿秒原子分子物理學(xué)中的應(yīng)用

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阿秒脈沖的實(shí)現(xiàn)

相機(jī)快門(mén)按下，世界被定格，當(dāng)一幀一幀的圖像不斷地播放，世界重歸運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)。每秒幾幀已足以反映你緩慢的翻書(shū)，每秒幾十幀已足以復(fù)刻運(yùn)動(dòng)員的飛奔，但當(dāng)我們從宏觀來(lái)到微觀，要想觀測(cè)電子難以捉摸的運(yùn)動(dòng)，只有使用阿秒級(jí)別的“超級(jí)快門(mén)”才有可能實(shí)現(xiàn)。

在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，通過(guò)使用主流激光器，我們只能得到最短6fs（1*10^-15）的光脈沖，fs級(jí)的光脈沖的實(shí)現(xiàn)依靠的是技術(shù)的進(jìn)步，如使用鎖模鈦寶石激光器等激光增益介質(zhì)，但是可見(jiàn)光的時(shí)間周期是幾飛秒（由光速與可見(jiàn)光波長(zhǎng)可知）， 而我們無(wú)法令光的脈沖寬度比它的特征光學(xué)周期還要短，技術(shù)進(jìn)步已無(wú)法幫助我們高歌猛進(jìn)地進(jìn)入阿秒的世界。我們需要基于基礎(chǔ)物理學(xué)的研究范式的轉(zhuǎn)變。

1987年，我們此次的諾獎(jiǎng)得主之一Anne L’Huillier利用紅外激光通過(guò)氖氣、氬氣等稀有氣體，意外地得到了一系列的高次諧波（HHG），高次諧波就好似樂(lè)器奏鳴后的泛音。上帝為我們打開(kāi)了通向原子秘密的大門(mén)，就在這些高次諧波中，我們可以得到波長(zhǎng)足夠小的光。人類邁向了通向阿秒的第一步。

為了能夠?qū)嶋H利用這些高次諧波，我們實(shí)現(xiàn)需要搞清其產(chǎn)生的物理過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，P. Corkum教授提出的半經(jīng)典的三步模型做出了重要貢獻(xiàn)。我們可以用高中學(xué)過(guò)的光電效應(yīng)來(lái)理解這個(gè)過(guò)程，它們有相同之處但當(dāng)然不同。三步，就是電離、加速、復(fù)合，首先，強(qiáng)激光場(chǎng)使氣體原子發(fā)生電離，但電子并未實(shí)現(xiàn)逃逸，在經(jīng)過(guò)短暫的加速后，它再次回到原子（此時(shí)是單電荷離子）的懷抱，而在這個(gè)過(guò)程中電子獲得的能量便以光的形式釋放，得到極紫外（XUV）光子，也就得到了阿秒級(jí)光脈沖的光來(lái)源。

事實(shí)上，高次諧波的產(chǎn)生過(guò)程天然地有阿秒脈沖串，關(guān)鍵在于如何測(cè)量出如此短的脈沖，不然我們?nèi)绾沃獣晕覀兊玫搅怂兀康诙恢Z獎(jiǎng)得主閃亮登場(chǎng)——Pierre Agostini，他的PABBIT方法使測(cè)量阿秒脈沖串得以實(shí)現(xiàn)。如今完事具備，2001年，在巴黎薩克雷，13年前第一次發(fā)現(xiàn)高次諧波光譜的同一實(shí)驗(yàn)中心，Agostini小組得到了250as的光脈沖。隨后，在維也納，第三位諾獎(jiǎng)得主Krause的小組得到了650as的孤立脈沖……

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阿秒科學(xué)的未來(lái)前景

阿秒（Attosecond）是一種時(shí)間單位，相當(dāng)于10^-18秒。在物理學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域，阿秒被用于研究超快現(xiàn)象，如電子在原子中的運(yùn)動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程等。未來(lái)，阿秒技術(shù)將在以下幾個(gè)方面得到應(yīng)用和發(fā)展：

1. 拍攝各種高速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程：阿秒激光可以用來(lái)拍攝各種高速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，如化學(xué)反應(yīng)、分子尺度的運(yùn)動(dòng)和原子尺度的運(yùn)動(dòng)。用阿秒激光拍攝化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，可以幫助科學(xué)家們更好地理解反應(yīng)機(jī)理，并進(jìn)一步改進(jìn)化學(xué)工藝。用阿秒激光拍攝分子和原子的運(yùn)動(dòng)，可以揭示它們之間的相互作用和動(dòng)力學(xué)過(guò)程，對(duì)于材料科學(xué)和生物科學(xué)的研究非常重要。

2. 超快成像：阿秒激光可用于高速攝影，幫助科學(xué)家們觀察和控制超快速電子過(guò)程，這對(duì)于開(kāi)發(fā)更快、更高效的電子設(shè)備具有重要意義。

3. 制造更小、更快的電子元件：阿秒激光還可以用于制造更小、更快的電子元件，在信息處理和通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

4. 科學(xué)研究：阿秒激光還可以用于研究物理、化學(xué)、材料科學(xué)和生物科學(xué)中的微觀過(guò)程。例如，在化學(xué)反應(yīng)中，可以使用阿秒激光來(lái)觀察和控制化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，以便更好地理解反應(yīng)機(jī)制并改進(jìn)化學(xué)工藝。

5. 超快激光：阿秒激光能夠產(chǎn)生超強(qiáng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，可用于研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和超快化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

6. 超快電子學(xué)：阿秒技術(shù)可以應(yīng)用于電子學(xué)領(lǐng)域，如研制超快計(jì)算機(jī)、超高速通信系統(tǒng)等。

7. 能源科學(xué)：阿秒技術(shù)可以幫助研究人員更好地了解能量在物質(zhì)中的傳輸和轉(zhuǎn)換過(guò)程，為開(kāi)發(fā)新型能源材料提供理論支持。可以用到研究高溫超導(dǎo)的物理機(jī)制，對(duì)于拓?fù)浣^緣體的研究可能也有助力。

8. 生物醫(yī)學(xué)：阿秒技術(shù)可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如研究蛋白質(zhì)折疊、藥物作用機(jī)理等，為研發(fā)新型藥物和治療方法提供依據(jù)，為日后解決癌癥提供了一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)技術(shù)。

目前，阿秒光脈沖已經(jīng)成為研究原子、分子等亞原子尺度的物理規(guī)律最有力的工具，同時(shí)，利用此項(xiàng)技術(shù)還可以觀察到如閃電產(chǎn)生、藥物溶解、生命反應(yīng)等人類無(wú)法分辨的瞬態(tài)現(xiàn)象，同時(shí)可以幫助人類控制導(dǎo)彈發(fā)射、核爆等工程過(guò)程，應(yīng)用前景良好。甚至有人預(yù)測(cè)到：阿秒或?qū)⒊蔀槲锢韺W(xué)的未來(lái)。

阿秒光脈沖探索電子世界

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我國(guó)阿秒技術(shù)的發(fā)展----我國(guó)首個(gè)阿秒激光裝置正在建設(shè)中

在我國(guó)，阿秒激光的相關(guān)研究已被納入國(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，通過(guò)觀察電子運(yùn)動(dòng)，成為未來(lái)時(shí)間分辨率范疇的最好“電鏡”。據(jù)公開(kāi)信息，在我國(guó)位于粵港澳大灣區(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。此設(shè)施由中科院物理所與中科院西光所共建，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室也參與了建設(shè)。通過(guò)高起點(diǎn)設(shè)計(jì)，建設(shè)具有高重復(fù)頻率、高光子能量、高通量及極短脈寬的多束線站，提供最短脈寬小于60as、最高光子能量可達(dá)到500eV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。這臺(tái)裝置的建成將在阿秒動(dòng)力學(xué)研究方面具有重要意義，加強(qiáng)了中國(guó)在超快科學(xué)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。

回首百年，阿秒光學(xué)終于能夠回答愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)的時(shí)間尺度問(wèn)題；展望未來(lái)，阿秒激光終將達(dá)到我來(lái)-我見(jiàn)-我征服的第三層境界，實(shí)現(xiàn)人為干預(yù)原子行為，無(wú)數(shù)的應(yīng)用前景必將為我們帶來(lái)又一個(gè)如今不可想象的美好未來(lái)。

在歷史長(zhǎng)河中，千千萬(wàn)萬(wàn)人抬頭，凝視浩瀚星空，仰觀宇宙之大，也有數(shù)不勝數(shù)不人低頭，俯察品類之盛。阿秒脈沖讓我們進(jìn)一步走入了人類曾無(wú)法探索的微觀世界。“古人不見(jiàn)今時(shí)月，今月曾經(jīng)照古人。”一個(gè)個(gè)問(wèn)題被解決，一個(gè)個(gè)困難被克服，我們走到了千人未有之高度，回答了前人矢志追求的問(wèn)題，愿今人為尋真理，繼續(xù)前行！