捕捉稍縱即逝的瞬間
——2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)解讀

◆蘭從古 席澤華

2023 年10 月3 日，瑞典皇家科學(xué)院鄭重宣布，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)的皮埃爾·阿戈斯蒂尼、德國(guó)馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的費(fèi)倫茨·克勞斯和瑞典隆德大學(xué)的安妮·勒惠利爾，以表彰他們對(duì)研發(fā)阿秒脈沖激光技術(shù)作出的杰出貢獻(xiàn)。這項(xiàng)技術(shù)為了解物質(zhì)內(nèi)部的微觀動(dòng)態(tài)提供了視覺(jué)上的“火眼金睛”。

圖1 2023 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主——左起：皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費(fèi)倫茨·克勞斯、安妮·勒惠利爾（圖/諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)官網(wǎng)）

什么是阿秒脈沖激光

阿托秒（as）又稱阿秒，是人類掌握的最小時(shí)間分辨尺度。1 阿秒表示百億億分之一秒，相當(dāng)于1 秒鐘與宇宙年齡138 億年的大小差別。更貼切地來(lái)形容——光在真空中1 秒鐘能傳播30 萬(wàn)千米，1 阿秒只能傳播0.3納米?？梢?jiàn)1 阿秒是多么短暫。

激光可分為連續(xù)激光和脈沖激光。1 阿秒或幾十甚至幾百阿秒閃爍一次的脈沖激光，稱為阿秒脈沖激光；飛秒（fs）也稱毫微微秒，1飛秒（1000 as）或幾十甚至幾百飛秒閃爍一次的脈沖激光，稱為飛秒脈沖激光。顯然，無(wú)論是飛秒脈沖激光還是阿秒脈沖激光，其閃爍速度都快得驚人。

2001 年，皮埃爾?阿戈斯蒂尼及其法國(guó)同事，通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功獲取了一系列閃爍的激光。他們使用特殊的技術(shù)，測(cè)得激光每次閃爍停頓時(shí)間為250 阿秒，也就是250 阿秒的脈沖激光。與此同時(shí)，費(fèi)倫茨?克勞斯和他的奧地利伙伴們，研究出一種可以選擇單個(gè)脈沖的技術(shù)，借此從其他光線中成功隔離出650 阿秒脈沖激光。

阿秒脈沖激光“現(xiàn)形”

為便于理解，我們首先需要明白兩個(gè)道理：一是包括激光在內(nèi)的一切光線，表現(xiàn)為交替變換的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，兩種統(tǒng)稱為光場(chǎng)。光的傳播伴隨光場(chǎng)的交替變換，其變換一次的時(shí)間稱為光的波動(dòng)周期。二是構(gòu)成物質(zhì)的原子內(nèi)部，原子核吸引電子繞其旋轉(zhuǎn)，一旦電子獲得能量，便會(huì)到處亂竄，甚至脫離原子核的吸引，當(dāng)返回原位時(shí)會(huì)放出光子，即一絲光。

氣體原子受高能飛秒脈沖激光照射，內(nèi)部電子吸收了激光的能量變得十分活躍，從而掙脫原子核的束縛，成為行動(dòng)自由的“流浪兒”。這種流浪電子受到激光的光場(chǎng)作用飛離原子，又隨激光光場(chǎng)方向的改變飛回原子。在復(fù)歸原位時(shí)，將原本吸收的激光能量以高能光子的形式釋放，這些被釋放的光子間存在極短的間隔，形成阿秒脈沖激光。

這個(gè)過(guò)程屬于物理學(xué)上的高次諧波效應(yīng)。舉例來(lái)說(shuō)，如果把石頭看作飛秒脈沖激光，把湖面看成氣體原子，濺起的水花相當(dāng)于電子，石頭砸入水面濺起的水花形成層層漣漪，從特定角度看，水紋交替隆起又迅速消失。如此，石頭對(duì)水面振蕩一次激起千層波浪，相當(dāng)于閃爍較慢的飛秒脈沖激光引發(fā)快速閃爍的阿秒脈沖激光。

助力探察微觀世界

阿秒脈沖激光技術(shù)是一種新的探察原子或分子內(nèi)部微觀世界的工具，為探索電子世界打開(kāi)了大門(mén)。

然而，如何運(yùn)用阿秒脈沖激光技術(shù)完美捕捉稍縱即逝的目標(biāo)的清晰圖像呢？電影中能與光并肩奔跑的閃電俠，人們用肉眼根本無(wú)法看清他的動(dòng)作，但如果我們的速度與閃電俠一致，或許就能清晰地看到他的一舉一動(dòng)。分子或原子內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)速度同樣驚人，其位置、分布和路徑等變化都以飛秒或阿秒級(jí)進(jìn)行，傳統(tǒng)儀器自然無(wú)法將其觀察仔細(xì)。借助阿秒脈沖激光技術(shù)，觀察時(shí)就如同擁有了與瞬間變化同樣之快的“魔力”。

圖3 高速相機(jī)拍攝的子彈穿透玻璃的圖像（圖/圖蟲(chóng)創(chuàng)意）

具體來(lái)說(shuō)，利用阿秒脈沖激光技術(shù)可測(cè)量電子脫離原子和回歸原子的速度和路線。例如：化學(xué)反應(yīng)是電子在不同原子之間轉(zhuǎn)移的過(guò)程，然而電子如何轉(zhuǎn)移？轉(zhuǎn)移到新的地方又呈怎樣的分布？人類借助阿秒脈沖激光技術(shù)就能認(rèn)清和控制化學(xué)反應(yīng)，為開(kāi)發(fā)新材料、新技術(shù)提供重要依據(jù)。當(dāng)光子沖擊某個(gè)原子時(shí)，內(nèi)部電子如何離開(kāi)原子核？剩下的電子和原子核之間如何相互作用？我們也可以使用同樣的方法探明這些問(wèn)題，便于重新排列物質(zhì)內(nèi)部電子的分布，有望在醫(yī)學(xué)和研發(fā)新材料領(lǐng)域“大顯身手”。

該類研究在我國(guó)的發(fā)展

2013 年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所魏志義課題組成功實(shí)現(xiàn)了160 孤立阿秒脈沖測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取得了這一領(lǐng)域的重大突破。2020 年，華中科技大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所等研究團(tuán)隊(duì)，也先后實(shí)現(xiàn)了阿秒脈沖激光的獲取和測(cè)量。

近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)始大規(guī)模開(kāi)展有關(guān)阿秒脈沖激光設(shè)施設(shè)備的建設(shè)。如中國(guó)科學(xué)院物理研究所在東莞松山湖的阿秒科學(xué)中心、西安光機(jī)所阿秒科學(xué)與技術(shù)研究中心，以及北京懷柔綜合極端條件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的百阿秒裝置?？蒲腥藛T依托這些科研平臺(tái)，取得了豐碩成果。目前，我國(guó)阿秒脈沖激光大概為70 阿秒的量級(jí)。

阿秒脈沖激光技術(shù)為探索自然、了解世界打開(kāi)了另一扇窗。未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)或?qū)⒃诟囝I(lǐng)域發(fā)揮更大作用。