阿秒光脈沖，下一次技術(shù)革命？

看風(fēng)景的蝸牛君

大家關(guān)注今年的諾貝爾獎(jiǎng)了嗎？北京時(shí)間2023年10月3日，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（PierreAgostini）、匈牙利-奧地利物理學(xué)家費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大學(xué)教授安妮·呂利耶（Anne LHuillier），以表彰他們?cè)诎⒚牍饷}沖方面所做出的貢獻(xiàn)。

雖然諾貝爾獎(jiǎng)離我們科學(xué)少年還很遙遠(yuǎn)，但相信你也想知道，這個(gè)“阿秒光脈沖”究竟是什么高科技？又有什么用處？接下來我們就來揭開它的神秘面紗吧。

什么是阿秒光脈沖

首先，什么是“阿秒”？其實(shí)，“阿秒”是一個(gè)時(shí)間單位，但這個(gè)時(shí)間單位非常非常小，小到什么程度呢？鐘表“嘀嗒”一下是1 秒，而把時(shí)間逐漸縮短，依次會(huì)有很多時(shí)間單位，如毫秒（10-3 秒）、微秒（10-6 秒）、納秒（10-9 秒）、皮秒（10-12 秒）、飛秒（10-15 秒）、阿秒（10-18 秒）。反過來說，1 秒鐘就等于1018 阿秒。你可能對(duì)1018 這個(gè)數(shù)值沒有很直觀的概念，給大家舉個(gè)例子吧：宇宙誕生至今大概已經(jīng)過去了138 億年的時(shí)間，換算成秒也就是138 億年×365 天/ 年×24 小時(shí)/ 天×60 分/ 小時(shí)×60 秒/ 分≈ 4.4×1017 秒。也就是說，1 阿秒之于1 秒鐘，甚至比1 秒鐘之于整個(gè)宇宙壽命還要短！

那什么是“阿秒光脈沖”呢？所謂的“阿秒光脈沖”，就是指持續(xù)時(shí)間（科學(xué)上叫作“脈沖寬度”，也可以簡(jiǎn)寫為“脈寬”）在阿秒量級(jí)的光脈沖。有的同學(xué)可能會(huì)問，什么叫“光脈沖”？大家回憶一下，在生活中拍照的時(shí)候見過閃光燈嗎？其實(shí)形象一點(diǎn)來說，“光脈沖”就是 “閃光燈”閃的那一下，它發(fā)出來的那個(gè)閃光就是光脈沖，只不過照相機(jī)閃光速度很慢，這個(gè)光脈沖持續(xù)的時(shí)間很長(zhǎng)，可能在幾十甚至幾百毫秒。想象一下，我們把這個(gè)“閃光”的速度不斷提高，將它“閃光”的時(shí)間進(jìn)一步壓縮，一直壓縮到阿秒尺度（ ≤幾百阿秒），那么這個(gè)“閃光”就可以理解為一個(gè)“阿秒光脈沖”了。

阿秒光脈沖：為電子攝影

“阿秒光脈沖”到底有什么用處呢？在回答這個(gè)問題之前，請(qǐng)各位同學(xué)再回憶一下生活中拍照的場(chǎng)景。對(duì)攝影有研究的同學(xué)可能會(huì)有印象，要是用長(zhǎng)曝光時(shí)間去拍攝快速運(yùn)動(dòng)的物體，拍出來的畫面會(huì)帶有虛影，或者干脆糊成一片；用高速的快門，我們就能夠瞬間定格高速運(yùn)動(dòng)的物體，例如飛馳而過的汽車、奔跑的運(yùn)動(dòng)員等。同樣，在黑漆漆的夜里，如果用閃光燈拍照，閃光的速度越快，我們?cè)侥軌蚨ǜ窀咚龠\(yùn)動(dòng)的畫面?！鞍⒚牍饷}沖”最大的特點(diǎn)就是“閃光”的持續(xù)時(shí)間極短，我們可以將其理解為一種超級(jí)超級(jí)超級(jí)快的“閃光燈”。所以，有了“阿秒光脈沖”，我們就可以對(duì)一些超級(jí)超級(jí)超級(jí)快的物理過程進(jìn)行研究了，比如微觀尺度的一系列的運(yùn)動(dòng)過程，都需要超快的觀測(cè)手段。而電子的運(yùn)動(dòng)正好對(duì)應(yīng)阿秒級(jí)，所以，有了“阿秒光脈沖”這一武器，我們就能夠給電子拍攝一系列的高速照片，更好地理解電子的活動(dòng)。

當(dāng)然了，這里的“拍照”是一種形象的說法，它代指眾多探測(cè)的維度和手段，例如泵浦探測(cè)等。有了對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)結(jié)果，我們就能夠?qū)Σ煌姆肿舆M(jìn)行更精準(zhǔn)的識(shí)別，也能夠?qū)瘜W(xué)反應(yīng)的很多過程有更加深入的理解，從而不斷深化物理化學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)理論。因此與“阿秒光脈沖”伴隨而生的還有很多新的研究方向，例如阿秒物理學(xué)、阿秒化學(xué)等等。總的來說，“阿秒光脈沖”是科學(xué)家手中的一個(gè)強(qiáng)有力的工具，能夠幫我們更好地理解這個(gè)世界運(yùn)行的底層規(guī)律。

迎接阿秒時(shí)代

“阿秒光脈沖”在科學(xué)研究上如此有用，但它的產(chǎn)生卻不是一件容易的事情，這次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，主要貢獻(xiàn)也是在如何通過實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生阿秒光脈沖方面的研究。其實(shí)直到現(xiàn)在，如何產(chǎn)生脈寬更短、能量更大的阿秒光脈沖，依然是科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿課題。我國(guó)在阿秒光脈沖相關(guān)研究方面也處于世界前列，如中國(guó)科學(xué)院、華中科技大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)，在阿秒精密測(cè)量等方面都取得了重要的研究進(jìn)展。截止到今天，人類達(dá)到的最短的阿秒光脈沖是2017 年由瑞士研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的，脈寬為43 阿秒，相信科學(xué)家未來必將不斷挑戰(zhàn)并刷新這一世界紀(jì)錄。

那阿秒光脈沖在生活中能有什么作用呢？其實(shí)縱觀歷史，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)眾多科研成果都是從實(shí)驗(yàn)室逐漸走入日常生活的。例如大家耳熟能詳?shù)钠っ爰す?、飛秒激光等，最早也都是存在于實(shí)驗(yàn)室里的很遙遠(yuǎn)的前沿技術(shù)。飛秒激光相關(guān)的啁啾脈沖放大技術(shù)還曾獲得2018 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但其實(shí)飛秒激光剛誕生時(shí)，人們也沒有在生活中找到適合它的應(yīng)用場(chǎng)景。而后來隨著超快激光技術(shù)的不斷成熟、成本的不斷降低，目前皮秒激光、飛秒激光已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和美容行業(yè)，像皮膚祛斑、近視眼手術(shù)等等。所以，雖然阿秒光脈沖目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，但它在電子層面觀測(cè)甚至操控的廣闊潛力，使得阿秒光脈沖在未來應(yīng)用方面具備極大的想象空間，除了物理、化學(xué)等領(lǐng)域，還可能在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。例如目前已經(jīng)有研究團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)利用阿秒光脈沖進(jìn)行無損分子分析的新型醫(yī)療診斷技術(shù)，相信阿秒光脈沖在不久的將來也一定會(huì)走入大家的日常生活中。