用阿秒光脈沖探索微觀世界

楊先碧

在量子世界的神秘舞臺(tái)上，阿秒光脈沖技術(shù)如同一道閃耀的星光，照亮了科學(xué)家們探索微觀物質(zhì)世界的道路。這個(gè)引人注目的新工具，以其獨(dú)特的方式開啟了量子物理學(xué)研究的新篇章。瑞典物理學(xué)家安妮·呂利耶、法國物理學(xué)家皮埃爾·阿戈斯蒂尼和奧地利物理學(xué)家費(fèi)倫茨·克勞斯，這3位杰出的科學(xué)家因?yàn)樵诎⒚牍饷}沖技術(shù)發(fā)展中的卓越貢獻(xiàn)，榮獲了2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

什么是阿秒光脈沖

要領(lǐng)悟阿秒光脈沖的奧秘，我們首先要揭開阿秒的神秘面紗。

阿秒是時(shí)間計(jì)量單位，等于一百億億分之一秒。

我們可以比較一下。光的速度是非?？斓?，1秒內(nèi)它可以跑出30萬千米，光線從月球達(dá)到地球只要1.28秒?？墒牵庠?阿秒內(nèi)僅能前進(jìn)0.3納米，也就是說光剛一起跑，阿秒已經(jīng)過去了?？梢?，阿秒是多么短促。

光脈沖是光源按一定時(shí)間間隔、時(shí)斷時(shí)續(xù)地發(fā)光，而阿秒光脈沖是由超級(jí)短暫的閃光構(gòu)成。

阿秒光脈沖是科學(xué)家手中的利器，它以極致短促的時(shí)間照亮微觀世界的奧秘。與此同時(shí)，它擁有驚人的能量密度和精細(xì)的波長控制。這使得科學(xué)家能夠輕松操控和探測微觀粒子。在能量傳輸方面，阿秒光脈沖的瞬間功率更是展現(xiàn)出了巨大的潛力。它能在瞬間產(chǎn)生極高能量，有望成為未來能源領(lǐng)域的重要選擇。

如何產(chǎn)生阿秒光脈沖

每一項(xiàng)新技術(shù)并非憑空而降，它們是在前人智慧與努力中孕育而生的。阿秒光脈沖也不例外，它的誕生是因?yàn)橛辛孙w秒光脈沖作為基石。

飛秒又叫毫微微秒，也是時(shí)間計(jì)量單位。1飛秒等于一千萬億分之一秒。光在1飛秒內(nèi)只能走0.3微米，不到一根頭發(fā)絲的百分之一。大家回想一下阿秒的那些數(shù)據(jù)，應(yīng)該知道飛秒比阿秒長得多。

若要跨越從飛秒到阿秒這道時(shí)間之籬，阿秒光脈沖的追求者明白，僅靠改良現(xiàn)有科技是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要開拓全新的技術(shù)領(lǐng)域。

科學(xué)家通過精密計(jì)算，大膽推測：我們可以利用多個(gè)飛秒光脈沖組合，來揭開阿秒的神秘面紗。

呂利耶主要研究領(lǐng)域是原子與短強(qiáng)激光脈沖的相互作用，這為她的阿秒光脈沖成就奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

早在1987年，呂利耶在法國原子能委員會(huì)的實(shí)驗(yàn)室里，用一束紅外激光穿過惰性氣體，出乎意料地產(chǎn)生了高次諧波，而且生成的高次諧波更多、更強(qiáng)。高次諧波是一種能量之波，是在原始波的一個(gè)周期中完成多個(gè)完整周期的波。后續(xù)的理論研究中，她與合作者預(yù)測了高次諧波產(chǎn)生阿秒光脈沖的可能性。

呂利耶沒有止步于此，她繼續(xù)在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中深入探索這種效應(yīng)。這些實(shí)驗(yàn)為阿秒光脈沖的產(chǎn)生鋪平了道路。1992年，她在瑞典隆德大學(xué)參與安裝了歐洲第一批飛秒光脈沖鈦藍(lán)寶石固態(tài)激光系統(tǒng)。2003年，她帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了170阿秒的光脈沖，打破了世界紀(jì)錄。

呂利耶是一位性格溫和、內(nèi)斂的女科學(xué)家，同時(shí)她的內(nèi)心充滿了對生活的熱愛。她對葡萄酒頗有研究，能夠準(zhǔn)確辨別出不同葡萄酒的年份。

在呂利耶關(guān)于高次諧波的卓越研究之后，其他科學(xué)家開始投身于識(shí)別與測試飛秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)。

真正的突破發(fā)生在2001年，法國的阿戈斯蒂尼和他的研究團(tuán)隊(duì)成功制造并研究了一系列連續(xù)的光脈沖。這一過程讓他們找到了測量光脈沖持續(xù)時(shí)間的方法，探測到了持續(xù)時(shí)間為250阿秒的光脈沖。

與此同時(shí)，克勞斯和他的研究小組做了新的嘗試，目標(biāo)是把單個(gè)的脈沖分離出來，就像把一節(jié)車廂從火車上拆解下來再切換到另一條軌道上。最終，他們不僅成功分離出單個(gè)脈沖，還讓其持續(xù)了650阿秒。利用這種單體阿秒光脈沖，克勞斯觀察到電子從原子中被拉出的過程。這個(gè)實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著阿秒物理學(xué)的誕生。

3位科學(xué)家及其團(tuán)隊(duì)的連續(xù)突破顯示，科學(xué)家不僅能夠利用設(shè)備生成阿秒光脈沖，還能夠?qū)ζ溥M(jìn)行觀測和測量。他們對阿秒光脈沖的研究成果獲得了科學(xué)界的關(guān)注，并在2002年被著名的學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》和《自然》雜志同時(shí)評為世界“十大科學(xué)突破”之一。

阿秒光脈沖的應(yīng)用

科學(xué)家費(fèi)盡心血去產(chǎn)生那些轉(zhuǎn)瞬即逝的阿秒光脈沖，究竟有何深遠(yuǎn)的意義呢？

我們可以把他們想象成超級(jí)英雄閃電俠，他們?yōu)榱颂剿魑⒂^世界中的物質(zhì)構(gòu)造與光并肩奔跑，用肉眼無法看清的超快速度揭開物質(zhì)的奧秘。

對于原子來說，它們的運(yùn)動(dòng)速度快得令人咋舌，以飛秒為單位。然而，與電子相比，原子的運(yùn)動(dòng)就如同蝸牛一般緩慢，因?yàn)殡娮舆\(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度是阿秒。打個(gè)比喻，如果想看清閃電俠的抬腿換步，我們就需要和他跑得一樣快。

阿秒光脈沖的出現(xiàn)，如同給科學(xué)家裝上了超級(jí)英雄的視力，讓他們能夠看清原子內(nèi)部的微觀世界。如果說，采用高速攝影相機(jī)可以將一個(gè)動(dòng)作定格成一幀幀清晰的畫面，阿秒光脈沖就是研究微觀物質(zhì)世界的高速攝影相機(jī)，可以在極小的時(shí)間范圍內(nèi)，觀察和控制原子和分子內(nèi)電子的行為。這對于理解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性具有重要的科學(xué)價(jià)值。

如今，阿秒物理學(xué)的大門已經(jīng)敞開，阿秒光脈沖的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。

在材料科學(xué)領(lǐng)域，阿秒光脈沖可以用于研究超快現(xiàn)象，揭露超導(dǎo)材料的微觀秘密。在能源領(lǐng)域，阿秒光脈沖可以用于研究光子和電子的相互作用，為開發(fā)更高效的太陽能電池提供關(guān)鍵信息。在生物學(xué)領(lǐng)域，阿秒光脈沖可以用于研究光合作用過程中電子的轉(zhuǎn)移和分配過程，從而更好地理解和利用生物系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換機(jī)制。在生物化學(xué)領(lǐng)域，化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)就來自于原子尺度的電子運(yùn)動(dòng)，阿秒光脈沖激光將有助于從根本上弄清楚疾病產(chǎn)生的微觀起因、形成和發(fā)展。

此外，阿秒光脈沖還涉足量子世界的疆域，擔(dān)當(dāng)起量子信息處理和量子計(jì)算的重任。阿秒光脈沖憑其獨(dú)特的性質(zhì)，可作為量子比特的操縱工具，因此在量子計(jì)算和信息處理的舞臺(tái)上發(fā)揮著舉足輕重的作用。這一領(lǐng)域的發(fā)展被寄予厚望，它有可能引領(lǐng)下一場科技革命，創(chuàng)造出更為強(qiáng)大且高效的信息處理和通信技術(shù)。

在這個(gè)信息化、量子化的時(shí)代，阿秒光脈沖如同一道明亮的燈塔，照亮了科學(xué)家探索未知世界的道路。未來，我們有理由期待阿秒光脈沖在更多領(lǐng)域帶來更多的科技革命和突破。

[獲獎(jiǎng)?wù)吆喗閉

安妮·呂利耶

瑞典物理學(xué)家，1958年出生于法國，1979年獲法國豐特奈高等師范學(xué)校碩士學(xué)位，1986年獲法國巴黎第六大學(xué)博士學(xué)位，1986年任法國原子能委員會(huì)光子、原子暨分子服務(wù)處永久研究員，1995年任瑞典隆德大學(xué)副教授，1997年至今任瑞典隆德大學(xué)教授。

皮埃爾·阿戈斯蒂尼

法國物理學(xué)家，1941年7月出生于突尼斯，1961年獲法國艾克斯-馬賽大學(xué)學(xué)士學(xué)位，1968年獲法國艾克斯-馬賽大學(xué)博士學(xué)位，1969年進(jìn)入法國原子能委員會(huì)巴黎薩克雷大學(xué)分會(huì)工作，2004年任美國俄亥俄州立大學(xué)物理系教授。

費(fèi)倫茨·克勞斯

奧地利物理學(xué)家，1962年5月出生于匈牙利，1991年獲奧地利維也納工業(yè)大學(xué)激光物理學(xué)博士學(xué)位，1996年任維也納工業(yè)大學(xué)電氣工程助理教授，1999年任維也納工業(yè)大學(xué)電氣工程教授，2004年至今任德國慕尼黑大學(xué)教授。