捕獲阿秒的秘密

樊曉武

瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2023年諾貝爾物理學(xué)獎授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費倫茨·克勞斯和安妮·呂利耶，以表彰他們將產(chǎn)生阿秒光脈沖的實驗方法用于研究物質(zhì)的電子動力學(xué)，為人類探索原子和分子內(nèi)的電子世界提供了新工具。

阿戈斯蒂尼是美國俄亥俄州立大學(xué)教授；克勞斯是德國馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所主任和德國慕尼黑大學(xué)教授；呂利耶是瑞典隆德大學(xué)教授。

一只蜂鳥可以每秒可以拍打80次翅膀，而這時人眼已經(jīng)完全看不清蜂鳥的翅膀了。

人類可以借助高速攝影機來捕捉肉眼無法追蹤的現(xiàn)象和細(xì)節(jié)。動作越快，就要求照片的快門速度越高，這樣才能捕捉到瞬間的畫面。

如果我們把目光放到原子層面，就會發(fā)現(xiàn)，原子的運動速度快得令人難以置信。在分子里，原子會以千萬億分之一秒（10-15秒，也就是飛秒）的單位移動和轉(zhuǎn)動。

然而，如果再把視角放在原子內(nèi)部的電子上，飛秒已經(jīng)無法追上電子的運動。在飛秒尺度上，電子運動看上去模糊不清——電子的移動和變化速度在1到幾百阿秒之間。1阿秒=10-18秒，這是什么概念？

1秒里包含的阿秒數(shù)，就相當(dāng)于整個宇宙年齡（1018秒）包含的秒數(shù)！

那么，如何捕捉阿秒的蹤跡？這就需要借助激光脈沖技術(shù)。

光由波組成，波即是電場和磁場中的振動，光在真空中的移動速度比其他任何東西都快，不同波長的光表現(xiàn)出不同的顏色，例如：紅光的波長為700納米，寬度相當(dāng)于頭發(fā)絲的1/100。

在以前，普通激光的波長無法低于飛秒，飛秒被認(rèn)為是激光脈沖的極限。然而，科學(xué)家并不滿足于此。

只要使用足夠多的大小、波長和振幅，就能形成任何波形?？梢酝ㄟ^組合更多更短的波長來制造更短的脈沖。要在原子尺度上觀測電子運動，需要足夠短的光脈沖，這意味著需要將許多不同波長的短波組合在一起。

1987年，安妮？呂利耶做了一個有趣的實驗。她用飛秒激光去照射一些稀有氣體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些氣體會發(fā)出很多不同顏色的光。她發(fā)現(xiàn)，飛秒激光經(jīng)過原子內(nèi)部時，可以把氣體里的電子推來推去，就像玩玻璃球一樣。當(dāng)激光通過后，電子就會回到原來的位置，同時把剛才獲得的能量以光的形式放出來。激光通過時對電子“撥動”的程度不同，會使得這些諧波光的波長各有不同。

這個發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家們很興奮。如果把這些諧波光組合疊加起來，就可以產(chǎn)生變量和變暗交替的效果，就像相機里的快門一樣。這樣，他們就可以用這種光脈沖去觀察電子的運動。

然而，從理論設(shè)想到實驗成功有相當(dāng)長的時間。直到2001年，皮埃爾·阿戈斯蒂尼和他的法國研究小組成功地制造并研究了一系列連續(xù)的光脈沖，就像一列有車廂的火車。他們使用了一些特殊的裝置和技術(shù)，將“脈沖列車”與原始激光脈沖的延遲部分放在一起，以觀察泛音如何彼此組合。他們還測量了“脈沖列車”中脈沖的持續(xù)時間，成功產(chǎn)生了持續(xù)250阿秒的脈沖光，相當(dāng)于實現(xiàn)了四千萬億分之一秒的快門速度！

與此同時，奧地利的費倫茨·克勞茲和他的研究小組研究了一種可以實現(xiàn)單個脈沖的技術(shù)，就像一節(jié)車廂從火車上脫鉤并切換到另一條軌道上。他們成功分離出的脈沖持續(xù) 650 阿秒的脈沖光。

我國科學(xué)家也非常重視阿秒光脈沖的研究。2013年，魏志義課題組首次在國內(nèi)產(chǎn)生并測得了160阿秒的孤立阿秒脈沖，目前正在進(jìn)一步朝著更短脈寬、更高能量及更高重復(fù)頻率的方向發(fā)展。

現(xiàn)在，人們已經(jīng)可以進(jìn)入阿秒世界，這些短脈沖光可以用來研究電子的運動。今天科學(xué)家們可以產(chǎn)生低至幾十阿秒的光脈沖，而且這種技術(shù)還在不斷發(fā)展。

通過阿秒脈沖，可以測量電子被拉離原子所需的時間，并研究電子被拉離原子所需時間和電子與原子核結(jié)合的緊密程度的關(guān)系。當(dāng)前，阿秒脈沖技術(shù)已被用于探索原子和分子的詳細(xì)物理過程，并有望應(yīng)用于凝聚態(tài)物理、原子分子物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、信息、能源等領(lǐng)域。