微觀世界的“超級(jí)快門”
——阿秒光脈沖

● 文/林寬雨

每年隨著諾貝爾獎(jiǎng)的公布，火的不僅是獲得諾貝爾獎(jiǎng)的人，一些我們可能從來沒聽說過的名詞也會(huì)名氣暴漲。比如，這次因?yàn)橹Z貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)而備受關(guān)注的“阿秒光脈沖”。相信很多同學(xué)在各大新聞上看到“阿秒光脈沖”這個(gè)詞時(shí)，都會(huì)心生疑惑：這到底是什么？今天，我們就來聊聊“阿秒光脈沖”，讓大家對(duì)這個(gè)陌生的名詞有更多的了解。

什么是阿秒光脈沖

想知道什么是阿秒光脈沖，我們得先來了解一下阿秒。阿秒是個(gè)時(shí)間單位，只不過相對(duì)于我們熟悉的時(shí)、分、秒，它非常短。根據(jù)換算關(guān)系，1 阿秒等于10-18秒。這么說，同學(xué)們可能還意識(shí)不到阿秒有多短。打個(gè)比方，假如有人能在1 阿秒的時(shí)間內(nèi)前進(jìn)1 米，那么他在1 秒鐘的時(shí)間里將前進(jìn)100 億億米。而阿秒光脈沖指的就是一種脈沖時(shí)間達(dá)到阿秒級(jí)別的光脈沖。

阿秒光脈沖“召喚術(shù)”

阿秒級(jí)，如此短瞬間的光脈沖真的能被人們“召喚”出來嗎？答案是肯定的，諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)已經(jīng)幫我們驗(yàn)證過了。至于阿秒光脈沖是如何被人們“召喚”出來的，還要從飛秒光脈沖和此次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主之一的法國(guó)物理學(xué)家安妮?呂利耶說起。

飛秒光脈沖是一種脈沖時(shí)間在10-15秒量級(jí)的光脈沖，在阿秒光脈沖被人們發(fā)現(xiàn)之前，“最短的光脈沖”的桂冠一直屬于飛秒光脈沖。1987 年，安妮?呂利耶在利用飛秒光脈沖照射稀有氣體后，發(fā)現(xiàn)這些稀有氣體會(huì)發(fā)出一系列的高次諧波光，這些諧波光可以幫助人們“召喚”出更短的光脈沖，為人們“召喚”阿秒光脈沖奠定了基礎(chǔ)。2001 年，獲得今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的另外兩位物理學(xué)家皮埃爾?阿戈斯蒂尼和費(fèi)倫茨?克勞斯在前人研究的基礎(chǔ)上，分別“召喚”出了時(shí)長(zhǎng)為250 阿秒和650 阿秒的光脈沖。從此，阿秒光脈沖走進(jìn)了人們的視野。值得一提的是，中國(guó)科學(xué)院物理研究所的魏志義課題組在2013 年也“召喚”出了阿秒光脈沖，讓我國(guó)在阿秒光脈沖領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。

天下武功，唯快不破

科學(xué)家之所以熱衷于“召喚”阿秒級(jí)的光脈沖，是因?yàn)樗麄兩钪粋€(gè)道理——天下武功，唯快不破。如果還沒有破，那就說明還不夠快。舉個(gè)例子，我們拍攝蝴蝶扇動(dòng)翅膀時(shí)，能比較容易地拍到清晰的照片。但拍攝蜂鳥時(shí)，照片上蜂鳥的翅膀很可能是一片模糊。會(huì)出現(xiàn)這種情況，主要是因?yàn)榉澍B扇動(dòng)翅膀的頻率比蝴蝶快很多。想在蜂鳥扇動(dòng)翅膀時(shí)拍到清晰照片，就得用比蜂鳥扇動(dòng)翅膀更快的速度按下快門。同樣，科學(xué)家想要研究那些運(yùn)動(dòng)速度很快的物質(zhì)，也需要按下時(shí)間更短的“快門”，也就是時(shí)間單位級(jí)別更短的光脈沖。尤其是在科學(xué)家把目光投向微觀世界后，發(fā)現(xiàn)這里的粒子都在以極高的速度“狂奔”，如果不利用時(shí)間單位級(jí)別更小的光脈沖，根本看不清楚這些粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。

在科學(xué)家的不懈努力下，我們前面提到的飛秒光脈沖被“召喚”出來。飛秒光脈沖的出現(xiàn)為科學(xué)家關(guān)注微觀世界中的原子運(yùn)動(dòng)提供了很大幫助，埃及化學(xué)家艾哈邁德?澤維爾還因應(yīng)用飛秒激光閃光成像技術(shù)觀測(cè)到分子中的原子在化學(xué)反應(yīng)中是如何運(yùn)動(dòng)的，獲得了1999 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。然而，在微觀世界里，原子的運(yùn)動(dòng)速度并不是最快的，能幫助科學(xué)家看清原子運(yùn)動(dòng)軌跡的飛秒光脈沖，卻拿比原子運(yùn)動(dòng)速度更快的電子沒什么辦法。為了更清楚地觀測(cè)微觀世界，科學(xué)家只能向比飛秒更小的時(shí)間單位發(fā)起沖擊。

阿秒光脈沖的貢獻(xiàn)

費(fèi)倫茨·克勞斯（中）

阿秒光脈沖的出現(xiàn)不僅實(shí)現(xiàn)了科學(xué)家觀測(cè)電子運(yùn)動(dòng)軌跡的愿望，同時(shí)也促成了更多高科技的出現(xiàn)。比如，費(fèi)倫茨?克勞斯及其團(tuán)隊(duì)利用和阿秒光脈沖相關(guān)的探測(cè)技術(shù)及一些其他高科技，開發(fā)出電場(chǎng)分子指紋技術(shù)。這種技術(shù)可以探測(cè)生物流體內(nèi)分子成分的變化，有望成為一種新的體外診斷分析技術(shù)，為保護(hù)我們的身體健康作出貢獻(xiàn)；加州大學(xué)伯克利分校的研究組及合作者們利用和阿秒光脈沖相關(guān)的技術(shù)，探測(cè)到半導(dǎo)體材料硅中電子的行動(dòng)等。未來，和阿秒光脈沖相關(guān)的技術(shù)還有望幫助人們精確設(shè)計(jì)和控制化學(xué)反應(yīng)的方向，得到想要的物質(zhì)；讓絕緣物質(zhì)變身成導(dǎo)電物質(zhì)；在更短的時(shí)間內(nèi)計(jì)算處理大量信息……

阿秒光脈沖是人類智慧的結(jié)晶，是人類探索未知領(lǐng)域的一個(gè)重要突破。相信，未來阿秒光脈沖會(huì)在更多領(lǐng)域體現(xiàn)它的價(jià)值，為人類的美好生活貢獻(xiàn)更多力量，讓我們拭目以待吧！