用阿秒光脈沖探索微觀世界

曉陽

在量子世界的神秘舞臺上，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。安妮·呂利耶、皮埃爾·阿戈斯蒂尼和費(fèi)倫茨·克勞斯，這三位杰出的科學(xué)家，因?yàn)樗麄冊诎⒚牍饷}沖發(fā)展中的卓越貢獻(xiàn)，獲得了2023年的諾貝爾物理學(xué)獎。

阿秒，是指一百億億分之一秒。這個時間如此短暫，以至于光在1阿秒內(nèi)僅能前進(jìn)0.3納米，而光在1秒內(nèi)卻能行走30萬千米。這種難以想象的瞬間，恰似閃電劃破夜空，轉(zhuǎn)瞬即逝。

光脈沖是光源按著一定時間間隔時斷時續(xù)發(fā)光，而阿秒光脈沖由超級短暫的閃光構(gòu)成。它是科學(xué)家們手中的利器，用以探索瞬息萬變的微觀世界。阿秒光脈沖的特點(diǎn)是短暫到極致，卻足以揭示微觀世界的奧秘。

與此同時，阿秒光脈沖還擁有驚人的能量密度和精細(xì)的波長控制。這使得科學(xué)家們能夠輕松地操控和探測微觀粒子。而在能量傳輸方面，阿秒光脈沖的強(qiáng)大瞬間功率更是展現(xiàn)出了其巨大的潛力。它的極短持續(xù)時間使得它在瞬間產(chǎn)生極高能量，有望成為未來能源領(lǐng)域的重要選擇。

光是電場與磁場振動而形成的電磁波，它的振動頻率受到物理極限的約束。正是這種自然規(guī)律的限制，光脈沖的最短持續(xù)時間無法低于1飛秒，這是20世紀(jì)80年代時科學(xué)界的普遍共識。要跨越這道時間之樊籬，阿秒光脈沖的追求者們明白，僅靠改良現(xiàn)有技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，更需要開拓全新的技術(shù)領(lǐng)域。

每一項新技術(shù)皆非憑空而降，它們都是在前人的智慧與努力中孕育的，阿秒光脈沖也不例外，它的誕生基于飛秒光脈沖。飛秒與阿秒，雖一字之差，卻有千倍的時間差?？茖W(xué)家通過精密的計算，大膽推測：我們可以巧妙地利用多個飛秒光脈沖組合，來實(shí)現(xiàn)阿秒光脈沖。

這個猜想的關(guān)鍵在于，讓飛秒光脈沖與原子相互作用，激發(fā)出高次諧波。這是一種能量之波，一種在原始波的一個周期中完成多個完整周期的波。它如同分割飛秒的節(jié)奏，分割得越多，越可能產(chǎn)生阿秒光脈沖。

呂利耶的主要研究領(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實(shí)的基礎(chǔ)。早在1987年，呂利耶就在法國原子能委員會的實(shí)驗(yàn)室里，用一束紅外激光穿過惰性氣體，產(chǎn)生了預(yù)期的高次諧波。與以往實(shí)驗(yàn)中使用的波長較短的激光相比，紅外激光生成的高次諧波更多、更強(qiáng)。

但呂利耶并沒有止步于此，她繼續(xù)在后續(xù)的實(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脈沖鈦藍(lán)寶石固態(tài)激光系統(tǒng)。11年后，也就是2003年，她帶領(lǐng)的團(tuán)隊創(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，然而她的內(nèi)心充滿了對生活的熱愛。繁忙的科研之余，她對葡萄酒的制作工藝頗有研究，能夠準(zhǔn)確地辨別不同葡萄酒的年份。她在科研生涯中，不僅為對物理學(xué)的理解做出了巨大的貢獻(xiàn)，而且也為阿秒光脈沖的產(chǎn)生和應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域。

在呂利耶開展關(guān)于高次諧波的卓越研究之后，其他科學(xué)家也開始投身于識別與測試阿秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)。真正的突破發(fā)生在2001年，法國物理學(xué)家阿戈斯蒂尼的研究團(tuán)隊成功地制造并研究了一系列連續(xù)的光脈沖。他們運(yùn)用了一種獨(dú)特的技術(shù)，將光脈沖系列中靠后的光脈沖與原始激光脈沖的延遲部分疊加起來，以探索高次諧波的物理特性。這一過程也讓他們找到了測量光脈沖持續(xù)時間的方法，結(jié)果他們探測到了持續(xù)時間為250阿秒的光脈沖。

與此同時，奧地利物理學(xué)家克勞斯的研究小組正在研究一種可以控制單個阿秒光脈沖的技術(shù)，就像一節(jié)車廂從火車上脫離并切換到另一條軌道上。他們成功地在阿秒光脈沖系列中分離出單個脈沖，并讓其持續(xù)了650阿秒。利用這種“單體”阿秒光脈沖，克勞斯成功地觀察到電子從原子中被拉出的過程。這個實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著阿秒物理學(xué)的誕生。

呂利耶、阿戈斯蒂尼和克勞斯三位科學(xué)家的連續(xù)突破顯示，科學(xué)家們不僅能夠生成阿秒光脈沖設(shè)備，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吸引了科學(xué)界的大量關(guān)注，并在2002年被著名的學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》和《自然》同時評為世界“十大科學(xué)突破”之一。

阿秒光脈沖（紅色）擊中納米玻璃球，激發(fā)出單個電子（綠色）

科學(xué)家們費(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)意義呢？為了探索微觀世界中的物質(zhì)構(gòu)造，他們甘愿化身為超級英雄，與光并肩奔跑，用肉眼無法看清的超快速度去揭示物質(zhì)的奧秘。

對于原子來說，它們的運(yùn)動速度以飛秒為單位，快得令人咋舌。然而，與電子相比，原子的運(yùn)動還是如同蝸牛一般緩慢，因?yàn)殡娮舆\(yùn)動的時間尺度是阿秒。為了看清閃電俠的抬腿換步，我們需要與其同步。

阿秒光脈沖的出現(xiàn)，如同給科學(xué)家們配置了超級英雄的超視裝備，讓他們能夠看清原子內(nèi)部的微觀世界。由于其極短的持續(xù)時間和極高的能量密度，阿秒光脈沖可以用來研究物質(zhì)在極短時間內(nèi)的行為和性質(zhì)。這對于理解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特性具有重要的科學(xué)價值。

如今，阿秒物理學(xué)的大門已經(jīng)敞開，阿秒光脈沖的應(yīng)用也越發(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。

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算的重任。阿秒光脈沖，憑借其獨(dú)特的性質(zhì)，可作為量子比特的操縱工具，因此在量子計算和信息處理的舞臺上發(fā)揮著舉足輕重的作用。這個領(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)。

阿秒光脈沖是人類智慧的結(jié)晶，為探索自然、理解世界打開了一扇全新的大門。我們堅信，隨著時間的推移，這項技術(shù)將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出更大的價值。在這個信息化、量子化的時代，阿秒光脈沖如同一道閃耀的星光，照亮了科學(xué)家們探索未知世界的道路。

阿秒光脈沖可跟蹤材料中電子的運(yùn)動軌跡

研究人員現(xiàn)在能夠塑造阿秒光脈沖的電場

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年任瑞典隆德大學(xué)教授。

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巴黎薩克雷大學(xué)分會工作，2004年任美國俄亥俄州立大學(xué)物理系教授。

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。