阿秒激光與量子點(diǎn)巧遇在諾貝爾獎(jiǎng)

彭鵬 劉博聞 高策

1959年，費(fèi)曼（R. Feynman）在加州理工學(xué)院做了以“底部空間還很大” （Theres Plenty of Room at the Bottom）為題的演講[1]：“當(dāng)我們進(jìn)入一個(gè)非常非常小的世界，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)很多新的東西，它們代表著全新的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)。在小尺度上，原子的行為與大尺度上的任何物體都不同，因?yàn)樗鼈冏裱孔恿W(xué)的法則。所以，當(dāng)我們深入微觀世界擺弄原子的時(shí)候，我們可以期望通過不同的定律，用不同的方式做不同的事情。”受到當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，人們還無法將費(fèi)曼的量子力學(xué)構(gòu)想付諸實(shí)踐，但是隨著科技的演進(jìn)，構(gòu)想已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，并且在很大程度上影響著宏觀世界的發(fā)展進(jìn)步。

自古以來，人類就對光十分推崇，并且從未停止對光的探索。隨著科技的發(fā)展，我們不僅更深刻地理解了光的本質(zhì)及其產(chǎn)生機(jī)制，還實(shí)現(xiàn)了對光的各種操控，更進(jìn)一步還可以利用光對原子、離子等微觀粒子進(jìn)行操控。2023年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予阿戈斯蒂尼（P. Agostini）、克勞斯（F. Krausz）和呂利耶（A. LHuiller），表彰他們將產(chǎn)生阿秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)方法用于研究物質(zhì)的電子動(dòng)力學(xué)。阿秒激光是一種脈寬在阿秒尺度的超短脈沖激光，可清晰地捕捉到如分子振動(dòng)、原子運(yùn)動(dòng)、質(zhì)子傳遞等超快過程，并可以瞬間達(dá)到超高的功率。 2023年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予巴旺迪（M. Bawendi）、布魯斯（L. Brus）和葉基莫夫（A. Yekimov），表彰他們在發(fā)現(xiàn)和合成量子點(diǎn)方面所作出的貢獻(xiàn)。量子點(diǎn)是一種納米級半導(dǎo)體，可以通過改變它的尺寸大小來控制其精確發(fā)出滿足人們需要的五彩斑斕的光。阿秒脈沖激光和量子點(diǎn)代表了人類光學(xué)技術(shù)的新高度，同時(shí)二者的交匯融合為我們勾勒出世界的無限可能。

光的由來

1905年，愛因斯坦解釋了光電效應(yīng)：光是以單獨(dú)的不連續(xù)光量子組成的，單光子能量與光頻率成正比。原子內(nèi)部的電子吸收足夠的光子能量變?yōu)樽杂呻娮硬⑻右莩鑫矬w表面，使物體表面產(chǎn)生電流，這種電離過程即光電效應(yīng)。吸收單個(gè)光子能量而發(fā)生的電子電離，被稱為單光子電離；單個(gè)光子能量不足時(shí)，可通過增強(qiáng)入射光強(qiáng)度，使電子同時(shí)吸收多個(gè)光子，產(chǎn)生多光子電離。1913年，玻爾提出了原子模型，原子中的電子具有分立的能級，而當(dāng)電子從高能級躍遷至低能級時(shí)會(huì)以光的形式釋放能量。所以為了產(chǎn)生光，我們需要電子處于高能級，為了使處于低能級電子躍遷到高能級，不僅可以用光來激發(fā)，還可以通過電能來激發(fā)。

更進(jìn)一步，愛因斯坦1917年首次提出激光的產(chǎn)生原理：受激輻射。一般將處于激發(fā)態(tài)的高能態(tài)粒子受到能量為該原子兩級能量差的外來光照射向低能態(tài)躍遷并輻射光子的現(xiàn)象稱為受激輻射。若要成功產(chǎn)生激光，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是必不可少的前提，通常來說低能級的粒子多于高能級粒子，若要產(chǎn)生激光就需要外來光的激勵(lì)，使低能級粒子被激發(fā)至高能級，從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)高能級粒子向低能級躍遷時(shí)，會(huì)釋放一個(gè)與激勵(lì)光全同的光子，高能級粒子數(shù)多則可以實(shí)現(xiàn)光放大。1960年5月16日，梅曼（T. H. Maiman）成功研制出世界上第一臺紅寶石激光器，并發(fā)射出世界上第一道脈沖激光，脈寬為毫秒量級。上述理論的發(fā)展為2023年諾貝爾獎(jiǎng)授獎(jiǎng)成果奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

極短時(shí)間的阿秒激光

根據(jù)持續(xù)時(shí)間的不同，激光可分為連續(xù)激光與脈沖激光。連續(xù)激光是指激光器輸出的功率恒定（通常較低）的光束，由于其輸出功率在較長時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的，通常用于激光手術(shù)、激光通信等方面。脈沖激光是指激光器每隔一段相同的時(shí)間發(fā)射出的光脈沖，由于其脈寬較短，通常用于研究極短的物理化學(xué)過程，比如飛秒物理和飛秒化學(xué)等。脈寬是脈沖激光的重要參數(shù)，更短的脈寬使研究粒子運(yùn)動(dòng)成為現(xiàn)實(shí)；同時(shí)還意味著峰值功率更高，可促進(jìn)非線性效應(yīng)的產(chǎn)生，因此，科學(xué)家致力于產(chǎn)生更短的脈沖激光。

隨著鎖模、調(diào)Q、啁啾脈沖放大等技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，科學(xué)家們可以產(chǎn)生飛秒級別的脈沖激光。1974年，伊彭（E. P. Ippen）等人發(fā)明腔外光柵對壓縮技術(shù)，首次產(chǎn)生飛秒激光脈沖。通過飛秒激光人們可以觀察到原子的運(yùn)動(dòng)，而想觀察電子運(yùn)動(dòng)，則需要通過更短的阿秒激光來實(shí)現(xiàn)。

阿秒激光，一般是由飛秒激光作用于高非線性介質(zhì)產(chǎn)生高次諧波來生成。高次諧波顧名思義就是原始激光頻率整數(shù)倍的諧波。當(dāng)飛秒激光穿過高非線性介質(zhì)時(shí)，光子會(huì)激發(fā)介質(zhì)中的電子而釋放新光子，產(chǎn)生高次諧波輻射，在這個(gè)過程中也會(huì)釋放阿秒激光。同時(shí)，高次諧波輻射與多光子電離之間有著重要聯(lián)系。1979年，阿戈斯蒂尼等人首次觀察到閾上電離現(xiàn)象，他觀察到在強(qiáng)激光場中，原子中的電子吸收了比產(chǎn)生電離所需光子數(shù)更多的光子而發(fā)生電離。

在光電器件中，取決于不同的研究問題，我們可以選用固態(tài)、溶液中的或者集成在納米結(jié)構(gòu)中的不同量子點(diǎn)實(shí)驗(yàn)品，將其放入能夠與阿秒激光相互作用的實(shí)驗(yàn)裝置中，激發(fā)量子點(diǎn)內(nèi)的電子。量子點(diǎn)中的電子吸收能量變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，隨著時(shí)間的推移，激發(fā)態(tài)電子又會(huì)回落到基態(tài)或其他低能級態(tài)。該過程中量子點(diǎn)可能會(huì)發(fā)出可見光或近紅外光導(dǎo)致顏色的變化，這個(gè)變色效應(yīng)可以通過調(diào)整激光的參數(shù)，如脈沖強(qiáng)度、頻率和持續(xù)時(shí)間來控制，進(jìn)而用于光學(xué)器件、傳感器和顯示技術(shù)的制備。此時(shí)通過使用適當(dāng)?shù)墓庾V儀器，測量樣品中光電子的動(dòng)能和角度可以得到光電子能譜的信息，之后分析相關(guān)光電子能譜數(shù)據(jù)，可以得出有關(guān)量子點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)、載流子動(dòng)力學(xué)和電子激發(fā)態(tài)的信息，相應(yīng)研究結(jié)果可以用于改進(jìn)量子點(diǎn)材料的性能，實(shí)現(xiàn)對不同區(qū)域的染色與研究。

在激光領(lǐng)域，也常常涉及量子點(diǎn)本身獨(dú)特的性質(zhì)。在強(qiáng)激光場下，量子點(diǎn)的非均勻性和表面效應(yīng)可以增強(qiáng)其本身的非線性光學(xué)性質(zhì)，例如倍頻效應(yīng)：當(dāng)一個(gè)光波傳播經(jīng)過非線性光學(xué)材料時(shí)，該材料能夠?qū)⑷肷涞膯我活l率的光波分裂成兩個(gè)具有不同頻率的新光波。這個(gè)過程中，一個(gè)光子分裂成兩個(gè)光子，一個(gè)具有原來的光波頻率，另一個(gè)具有原波的兩倍頻率。該性質(zhì)可用于產(chǎn)生高次諧波，可以進(jìn)一步擴(kuò)展光源的頻率范圍，有助于研究光子與物質(zhì)的相互作用。小尺寸和高效率的特性使它們成為能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的重要材料，由于量子點(diǎn)的尺寸與波長之間的對應(yīng)關(guān)系，我們可以通過改變其尺寸來控制發(fā)光的波長，用于制造光探測器、光伏電池和光電二極管等光電子學(xué)設(shè)備。

阿秒激光與量子點(diǎn)也有助于量子信息科技領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。高效穩(wěn)定的單光子源是量子計(jì)算與量子通信的重要組成部分，自組裝量子點(diǎn)具有極好的單光子性與光子全同性，可作為理想單光子源使用。此外，量子點(diǎn)也可以通過阿秒激光脈沖照射來精確產(chǎn)生糾纏光子對， 用作糾纏光源。量子點(diǎn)不僅具有高度的可控性，可以通過調(diào)控電壓控制其電子自旋，而且還具有較長的相干時(shí)間，這使得其成為了量子比特的理想載體。一個(gè)量子點(diǎn)具有一個(gè)基態(tài)和多個(gè)激發(fā)態(tài)，通過阿秒激光操控激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)量子門操作。在量子通信中，阿秒激光超短脈沖和高能量的特性使其成為制備量子比特和進(jìn)行量子操作的理想光源，進(jìn)而提升量子信息在不同節(jié)點(diǎn)之間的傳輸效率，推動(dòng)建立更高效的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

綜上，阿秒激光和量子點(diǎn)有很多重要交叉點(diǎn)，它們共同為我們提供了深入了解分子、原子和納米材料性質(zhì)和行為的能力，并將深刻地改變我們的生活。這種跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的合作有助于推動(dòng)不同領(lǐng)域的創(chuàng)新，同時(shí)交叉領(lǐng)域的前沿研究有望推動(dòng)科學(xué)、技術(shù)和工程的發(fā)展，為新材料、新器件和新應(yīng)用的產(chǎn)生提供有力支撐，有助于解決許多復(fù)雜的科學(xué)問題，從而進(jìn)一步推動(dòng)宏觀世界科技的發(fā)展進(jìn)步。

世界之大，遠(yuǎn)超過我們的眼界可以容納的范圍，然而，“大”是由最微小的細(xì)節(jié)掌控的，2012—2023年這12年間，作為全球自然科學(xué)類的最高獎(jiǎng)項(xiàng)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)與化學(xué)獎(jiǎng)大部分被授予在微觀領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行偉大探究的科學(xué)家。細(xì)究獲獎(jiǎng)成果我們不難得出，評選諾貝爾獎(jiǎng)的目光已從具有跨時(shí)代意義的先進(jìn)理論轉(zhuǎn)移至可以促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步的前沿科技上來，并呈現(xiàn)出一種微觀層面的科學(xué)逐漸技術(shù)化、產(chǎn)業(yè)化的趨勢。人類宏觀世界的科技進(jìn)步往往受到物理或化學(xué)微觀層面上跨越的深刻影響，比如半導(dǎo)體芯片與石墨烯材料。這些微觀層面上的創(chuàng)新對人類的生產(chǎn)生活起到關(guān)鍵作用。

大自然本來沒有學(xué)科，學(xué)科是人類研究自然的結(jié)果。人類早期社會(huì)把所有的科學(xué)知識都?xì)w于哲學(xué)，隨著生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，科學(xué)逐漸從哲學(xué)中分化出來，并且學(xué)科分類日益細(xì)化。然而，當(dāng)今隨著人們需要解決的科研問題日益復(fù)雜，跨學(xué)科交叉融合成為科學(xué)發(fā)展的大趨勢。阿秒激光與量子點(diǎn)的發(fā)展和應(yīng)用體現(xiàn)了學(xué)科融合的意義與價(jià)值?；A(chǔ)科學(xué)的長足發(fā)展促使技術(shù)產(chǎn)生了極大的進(jìn)步，整體呈現(xiàn)出一種交融的形勢，這不僅有助于促進(jìn)不同方向上思維和方法的交叉應(yīng)用，同時(shí)，不同領(lǐng)域的專業(yè)知識相互滲透，不同領(lǐng)域?qū)＜抑g的合作交流還可以拓展面對重大問題時(shí)的視角。隨著科技不斷更新迭代，跨學(xué)科交叉融合也將逐漸成為各國關(guān)注的重點(diǎn)研究方向、創(chuàng)新發(fā)展的推動(dòng)力和前沿科技進(jìn)步的源泉。

[本文相關(guān)研究得到自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（11904217）、國家社會(huì)科學(xué)基金重大項(xiàng)目（16ZDA113）、中國科協(xié)項(xiàng)目“全球量子信息產(chǎn)業(yè)布局及發(fā)展路徑研究”、山西省科技戰(zhàn)略研究專項(xiàng)（202204031401039）資助。]

[1]Feynman R P. There is plenty of room at the bottom. Engineering and Science， 1960： 22–36.

[2]Ferray M， LHuillier A， Li X F， et al. Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases. Journal of Physics B， 1988， 21（3）： L31-L35.

[3]Kern C， Zürch M， Spielmann C. Limitations of extreme nonlinear ultrafast nanophotonics. Nanophotonics， 2015， 4（3）： 303-323.

[4]Paul P M， Toma E S， Breger P， et al. Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation. Science， 2001， 292（5522）： 1689-1692.

[5]Hentschel M， Kienberger R， Spielmann C， et al. Attosecond metrology. Nature， 2001， 414（6863）： 509-513.

關(guān)鍵詞：阿秒激光 量子點(diǎn) 諾貝爾獎(jiǎng) ■