阿秒光脈沖：探秘微觀世界的時間之窗

朱明宇 倪宏程 吳健

人類對于物質(zhì)本源的探索與追求是永不停歇的。物理學，從對物質(zhì)構(gòu)成和物質(zhì)運動的哲學追問開始，逐漸演變成對微觀世界和運動過程的實驗探究。時間一直是物理學中最基本的參量，尤其在微觀世界的探索中，微觀粒子的運動在更短的時間尺度上進行。在空間上，X射線衍射與掃描隧道顯微鏡等技術(shù)使我們能夠以0.1納米（10-9米）級別的空間分辨率觀察微觀物體，而粒子對撞機使得我們能“看見”飛米（10-15米）尺度的原子核；在時間上，原子分子中電子的運動速度之快，需要我們借助阿秒（10-18秒）超快脈沖技術(shù)，以光脈沖“快門”記錄下這些極短時間的奇妙過程。阿秒時間尺度極短，一阿秒之于一秒，正如一秒之于宇宙年齡。

2023年度諾貝爾物理學獎授予了阿戈斯蒂尼（P. Agostini）、克勞斯（F. Krausz）和呂利耶（A. LHuillier），以表彰他們“在產(chǎn)生用于研究物質(zhì)中電子動力學的阿秒光脈沖的實驗方法”上做出的開創(chuàng)性貢獻。阿秒光脈沖的產(chǎn)生為物理學家提供了探索物質(zhì)中電子超快運動的基本工具，開創(chuàng)了阿秒科學。

光的奇妙旅程：時間尺度的推進

為了記錄以及研究物體的運動和變化，我們需要使用一個與其時間尺度相匹配的“快門”。一個快門，實際上就是一個光脈沖。當我們的研究對象從宏觀物體過渡到原子分子、電子乃至原子核內(nèi)部時，其運動周期越來越短，時間尺度越來越快。因此，我們需要借助更快的快門——或者說更短的光脈沖——來研究相應的物理現(xiàn)象。

1878年，為了解決“馬在奔跑過程中是否會出現(xiàn)四蹄騰空”的熱點爭議，邁布里奇（E. Muybridge）使用12臺相機在較短的時間間隔內(nèi)依次拍下賽馬的照片，從而解決了這個爭論已久的問題。借助現(xiàn)代高速攝影技術(shù)，我們得以以微秒尺度的時間分辨率觀察高速運動的子彈穿過蘋果的瞬間。讓我們將目光轉(zhuǎn)向微觀世界，分子轉(zhuǎn)動與分子振動的周期在皮秒（10-12秒）與飛秒（10-15秒）量級?？茖W家澤維爾（A. Zewail）首先利用飛秒光脈沖對分子化學反應進行實時觀測，開創(chuàng)了飛秒化學的新領域，并因此獲得了1999年度諾貝爾化學獎。相比于分子中原子的運動，原子中電子運動的時間尺度要短得多，對應阿秒量級，例如，氫原子中基態(tài)電子運動的周期僅為150阿秒。故而，為了研究束縛態(tài)電子的超快動力學，我們需要將脈沖寬度進一步縮短至阿秒量級，一般對應于極紫外甚至X射線波段的光脈沖。

阿秒光脈沖的產(chǎn)生：高次諧波

了解微觀世界需要更短的時間尺度，而機械或電子的快門無法提供足夠短的曝光時間。于是，科學家采用超短光脈沖進行曝光，創(chuàng)造了虛擬的“快門”，時間分辨率由光脈沖的寬度決定。而要實現(xiàn)足夠窄的脈沖寬度，需要光波長足夠短或光頻率足夠高。

從常用的紅外基頻激光產(chǎn)生更高頻率的極紫外激光脈沖，光頻率的提升需要借助非線性效應來實現(xiàn)。在非線性光學中，可以借助非線性介質(zhì)與基頻光相互作用，產(chǎn)生二倍、三倍基頻光頻率的諧波光，但通過這種方法難以獲得更高頻率的諧波光?；跉怏w的高次諧波為阿秒脈沖的產(chǎn)生提供了可靠的技術(shù)手段。

1988年，呂利耶等學者通過將光強約1013瓦/厘米2、波長為1064納米的紅外激光與稀有氣體相互作用，獲得了最高達33階的高次諧波，對應最短波長32.2納米[1]，這是傳統(tǒng)非線性光學技術(shù)所無法企及的。此外，這次實驗清晰地觀測到了稀有氣體高次諧波的頻譜特性：僅有奇數(shù)階次諧波（與體系對稱性有關），存在一個微擾區(qū)、一個緩變的平臺區(qū)以及一個與激光參數(shù)和氣體種類有關的截止區(qū)。

1994年，萊文施泰因（M. Lewenstein）、呂利耶、科克姆等學者進一步基于強場近似理論發(fā)展了高次諧波產(chǎn)生的全量子理論，驗證了三步模型的半經(jīng)典理論詮釋[6]。

至此，氣體高次諧波產(chǎn)生的理論框架基本成熟。

基于實驗技術(shù)的不斷進步，2001年，阿戈斯蒂尼團隊通過將鈦寶石激光器產(chǎn)生的800納米近紅外飛秒激光作用于氬氣，獲得了脈寬僅為250阿秒的阿秒脈沖串[7]。這是歷史上第一次阿秒脈沖的產(chǎn)生與標定實驗。

孤立阿秒脈沖需要從高次諧波產(chǎn)生的阿秒脈沖串中提取出來，相比脈沖串的產(chǎn)生，更具有挑戰(zhàn)性。另一種途徑是，將處于可見光或紅外波段的飛秒激光的脈寬壓縮至數(shù)個乃至單個周期（脈寬約為數(shù)飛秒），以此作為驅(qū)動光。單個飛秒激光脈沖所產(chǎn)生的阿秒脈沖諧波自然也只有少數(shù)幾個，其能量集中在驅(qū)動光達到峰值強度所對應的周期，于是便能產(chǎn)生孤立阿秒脈沖。同樣在2001年，克勞斯團隊以少周期可見光飛秒脈沖作為驅(qū)動光，并使用了特殊的反射鏡用于選通特定的諧波階次，獲得了脈寬為650阿秒的孤立阿秒脈沖[8]。

如今，在實驗上利用波長為3.9微米的中紅外飛秒激光，已經(jīng)能夠獲得高達5000階次的高次諧波，對應硬X射線波段，未來有望獲得脈寬僅2.5阿秒的孤立X射線阿秒脈沖[9]。

實驗上阿秒脈沖的產(chǎn)生與標定，標志著阿秒科學的誕生，為后續(xù)基于阿秒脈沖研究物質(zhì)中的電子超快動力學打下了堅實的基礎。

電子超快動力學：阿秒電離延時

以阿秒光脈沖為工具，我們得以一探原子內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)，回答關于電子超快運動的懸而未決的問題。例如，光電離是否需要時間？

光電離也叫光電效應，在1887年由赫茲發(fā)現(xiàn)，在1905年由愛因斯坦首次做出理論解釋。在光電離過程中，光被認為是由光子組成的，每份光子攜帶一份能量，而光子的能量由光的頻率決定，從而其能量是離散的而不是連續(xù)的。這種離散化的思想是量子力學的根本基礎，光電效應也因此被視作量子力學開端的標志性效應。在光子概念提出的過程中，有一個重要的論據(jù)，即不管光強多小，只要光頻率足夠高，那么光電子都會瞬時產(chǎn)生出來，而不需要像波那樣在時域積攢足夠的能量從而產(chǎn)生光電子。隨著時間分辨率提升到阿秒量級，“光電離是瞬時發(fā)生的”這一曾引起物理學深刻變革的重要觀點也受到嚴峻挑戰(zhàn)。實際上，人類對于時間的認識也伴隨著科技進步和社會發(fā)展而逐漸拓寬。光電離過程是否需要時間這個問題，就伴隨著快門速度的提升經(jīng)歷了一個重新認識的過程。

當物理學家終于擁有了與光電離物理過程的時間尺度相匹配的快門，即阿秒脈沖后，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，光電離竟然不是瞬時發(fā)生的。2007年，克勞斯團隊使用基于孤立阿秒脈沖與近紅外光場的阿秒條紋相機技術(shù)，在實驗上測得固體體系中光電離的延時現(xiàn)象：從金屬鋅的導帶中出射的光電子與內(nèi)殼層4f軌道出射的電子之間存在100阿秒左右的延時[10]。2010年，克勞斯團隊在原子體系中探測到光電離延時效應：從氖原子2s與2p殼層出射的光電子之間存在21阿秒的延時[11]。這一實驗結(jié)果與理論計算存在偏差，而在2017年，呂利耶團隊用基于阿秒脈沖串與近紅外光場的能量分辨率更高的RABBITT技術(shù)揭示了這一偏差的成因[12]。

光電效應作為光的量子效應的有力證據(jù)，曾經(jīng)推動了人類對物理學認識的飛躍式發(fā)展，是現(xiàn)代物理學的重要研究方向。至今，不同物理體系的光電離延時仍然是阿秒科學的研究熱點。

探測光電離延時通常采用泵浦-探測實驗方法，其中泵浦光將待研究體系激發(fā)至實驗所要達到的狀態(tài)，而探測光一般在泵浦光之后發(fā)揮作用，起到探測體系演化狀態(tài)的作用。測量阿秒電離延時的常見實驗手段有阿秒條紋相機、RABBITT技術(shù)與阿秒鐘等。

以阿秒條紋相機[13]為例，其使用高頻孤立阿秒脈沖作為泵浦光，近紅外光場作為探測光。在實驗中，阿秒脈沖在短時間內(nèi)使待測體系發(fā)生光電離，產(chǎn)生近自由的電子，電子在近紅外光場的作用下運動，在激光場結(jié)束后抵達探測器，探測器將光電子信號轉(zhuǎn)化為電信號，得到光電子的動量分布。通過改變泵浦光與探測光的相對時間位置（相對延時），得到一組條紋狀的光電子動量譜，即可從這一圖像中提取體系的電離延時信息。

條紋相機的時間分辨率與其探測信號的振蕩快慢，或者說振蕩周期有關。相比于傳統(tǒng)條紋相機，阿秒條紋相機以飛秒脈沖作為探測信號，其信號變化速率遠大于傳統(tǒng)條紋相機使用的掃描電壓信號，因此能夠突破傳統(tǒng)條紋相機的皮秒量級時間分辨極限，實現(xiàn)阿秒分辨率的計時。

阿秒脈沖的應用

除了研究光電離延時相關的基礎物理過程，阿秒科學的前沿理論與實驗研究為其在其他領域的應用奠定了基礎。

共振現(xiàn)象普遍存在于各種物理過程中，對于物理學基本規(guī)律的研究具有重要的基礎意義，而電離過程往往伴隨著共振現(xiàn)象。共振作為電子動力學在頻域的一種描述，其超快建立過程是非常值得研究的。2016年，兩個不同研究團隊應用超快泵浦-探測技術(shù)，分別研究了法諾共振（Fano resonance）的建立過程[14，15]。實際上，阿秒脈沖可以進一步應用于電子的各類共振現(xiàn)象的研究中。

在化學領域，我們知道化學反應的本質(zhì)是化學鍵的形成和斷裂，而化學鍵實質(zhì)上是電子軌道的交疊組合。因此，盡管飛秒脈沖已經(jīng)用于研究化學反應的機理與過程，對于化學反應中化學鍵形成與斷裂的阿秒精度的精確操控，有助于人們進一步更深刻地理解化學反應本質(zhì)。研究化學反應中電子運動與化學鍵成鍵、斷裂的研究方向，稱為阿秒化學[16]。

在固態(tài)光源領域，在與可見光或紅外波段的飛秒激光相互作用時，固體材料亦能產(chǎn)生高次諧波，這一現(xiàn)象最早于2011年被發(fā)現(xiàn)[17]。固體中的高次諧波與氣體高次諧波遵循不同的規(guī)律，具有更多更新穎的物理過程。相比氣體，固體材料更加穩(wěn)定可控、便于集成，因此是集成式阿秒脈沖激光器的理想工質(zhì)。然而，固體材料在強激光場中容易發(fā)生不可逆的損傷，這限制了其能量與頻率的提高。

在凝聚態(tài)物理和材料科學領域，阿秒脈沖技術(shù)可以用于研究材料的電子動力學，包括光生載流子、電荷轉(zhuǎn)移、能帶結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換等過程和現(xiàn)象。這對于半導體行業(yè)的研發(fā)和優(yōu)化，尤其是更高效電子器件和太陽能電池的開發(fā)，具有重要意義。

在量子光學與量子信息領域，一些前沿研究已經(jīng)展示了在原子、分子內(nèi)產(chǎn)生量子糾纏的方法[18]；通過使用處于壓縮態(tài)的量子光源作為驅(qū)動光，能產(chǎn)生高于一般截止階次的高次諧波[19，20]，其中的物理機制仍有待探索。

下一步：進軍仄秒

回顧此前時間尺度的推進，1985年利用啁啾脈沖放大技術(shù)獲得飛秒激光脈沖標志著飛秒科學的建立；2001年基于高次諧波產(chǎn)生的阿秒激光脈沖則標志著阿秒科學的誕生。從飛秒時代到阿秒時代經(jīng)過了近20年的時間，如今阿秒科學也走過了20余年，我們站在了下一時代——仄秒（10-21秒）時代的起點。

阿秒時間尺度對應原子分子中價電子能級的能量尺度。仄秒時間尺度相比阿秒邁進了三個數(shù)量級，其對應的物理現(xiàn)象的能量尺度也相應提高了三個數(shù)量級。原子內(nèi)殼層電子能級乃至一些原子核的核能級屬于這一能量尺度，對應的是X射線波段。

如今，通過自由電子激光，我們可以產(chǎn)生光強極強（超過1020瓦/厘米2），涵蓋極紫外、軟X射線與硬X射線波段的超快激光，有望通過研究原子、分子內(nèi)層殼電子或原子核能級的激發(fā)，尋求邁入仄秒世界的方法。

盡管目前尚未有產(chǎn)生仄秒時間尺度的光脈沖，我們?nèi)匀豢梢越柚⒚朊}沖以及先進的光電子-離子符合探測技術(shù)實現(xiàn)對一些物理現(xiàn)象的仄秒精度的分辨。2020年，一項研究聚焦氫氣分子的光電離現(xiàn)象，揭示了對于分子軸平行于光傳播方向的分子，從兩個核出射的電子波包之間存在247仄秒的延時，并將其歸結(jié)為光“穿過”氫分子所用的時間[21]。

2023年度諾貝爾物理學獎的頒發(fā)是阿秒科學蓬勃發(fā)展的一個標志。阿秒光脈沖不僅是一種探索微觀世界的工具，更是推動凝聚態(tài)物理、超快化學、生物醫(yī)藥、新能源材料和量子信息技術(shù)等多個領域前進的動力。

阿秒光脈沖科技迅速發(fā)展，為了滿足不斷增長的需求，國際上正在建設大型的阿秒科學裝置，例如歐洲極端光設施（ELI）等。我國也在積極推動先進阿秒激光設施的規(guī)劃和建設，例如上海硬X射線自由電子激光裝置（SHINE），以取得在該領域的重要突破。

未來，隨著阿秒科學的不斷深入，我們有望更全面、更深入地理解自然界的奧秘。

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關鍵詞：阿秒科學 超快光脈沖 諾貝爾獎 高次諧波 超快動力學■