用阿秒光脈沖探索微觀世界

阿秒光脈沖技術(shù)是一種引人注目的新技術(shù)，它以其獨(dú)特的方式改變了我們對(duì)量子世界的理解。它不僅帶來(lái)了全新的研究視角，更在無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)中揭示了量子世界的奇妙特性。在這段科研征程中，主角是瑞典物理學(xué)家安妮·呂利耶、法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾·阿戈斯蒂尼和奧地利物理學(xué)家費(fèi)倫茨·克勞斯，他們憑借著在阿秒光脈沖技術(shù)發(fā)展中的卓越貢獻(xiàn)，榮獲了2023 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

什么是阿秒光脈沖

要探究阿秒光脈沖的奧秘，我們首先要清楚什么是阿秒。阿秒是一個(gè)時(shí)間單位，其值為一百億億分之一秒。這個(gè)時(shí)間如此短暫，以至于光在1 阿秒內(nèi)僅能前進(jìn)0.3 納米。這種難以想象的短暫瞬間，似乎已經(jīng)超越了我們的探測(cè)極限。

光脈沖是光源按著一定時(shí)間間隔時(shí)斷時(shí)續(xù)的發(fā)光，而阿秒光脈沖是由超級(jí)短暫的閃光所構(gòu)成。它是科學(xué)家手中的利器，用以探索那些瞬息萬(wàn)變的微觀世界。阿秒光脈沖具有極致的速度和短暫，卻足以照亮微觀世界的隱秘空間。

光是電場(chǎng)與磁場(chǎng)振動(dòng)而形成的電磁波，它的振動(dòng)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(shí)間無(wú)法低于1飛秒，這是20世紀(jì)80年代時(shí)科學(xué)界的共識(shí)。飛秒與阿秒，雖一字之差，卻有千倍的時(shí)差。若要跨越這道時(shí)間之籬，阿秒光脈沖的研究人員明白，僅靠改良現(xiàn)有科技是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，更需要開(kāi)拓全新的技術(shù)領(lǐng)域。

高次諧波的產(chǎn)生

光脈沖是激光光源在一個(gè)個(gè)間隔的小時(shí)間段內(nèi)發(fā)射出來(lái)的，其峰值功率很高。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，光脈沖寬度也在不斷縮小，也就是脈沖的時(shí)間間隔不斷變小。如何將光脈沖壓縮到阿秒量級(jí)？高次諧波可以充當(dāng)動(dòng)力來(lái)源。對(duì)混合的多頻光進(jìn)行分解時(shí)，其中最低頻率為基頻2 倍以上的那些波就是高次諧波。

呂利耶是早期通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)產(chǎn)生高次諧波的科學(xué)家之一。早在1987 年，呂利耶將紅外激光射入惰性氣體，觀察到了高次諧波的產(chǎn)生。與以前實(shí)驗(yàn)中使用的波長(zhǎng)較短的激光相比，紅外激光產(chǎn)生更多、更強(qiáng)的高次諧波。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，她還觀察到許多光強(qiáng)度差不多的高次諧波。

呂利耶不僅在實(shí)驗(yàn)上有所建樹(shù)，還為高次諧波產(chǎn)生的過(guò)程提供了理論支持。她提出了相應(yīng)的理論模型，解釋了高次諧波產(chǎn)生的機(jī)制，并幫助人們更好地理解這一復(fù)雜的過(guò)程。這些理論模型不僅對(duì)阿秒脈沖研究有重要意義，也為其他領(lǐng)域的研究提供了新的視角和方法。

2003年，為了捕捉原子水平上的快速運(yùn)動(dòng)，呂利耶還造出了當(dāng)時(shí)世界上快門(mén)速度最快的相機(jī)，并被授予攝影行業(yè)大獎(jiǎng)。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(duì)生活的熱愛(ài)，并且對(duì)葡萄酒頗有研究，能夠準(zhǔn)確地辨別不同葡萄酒的年份。

阿秒光脈沖的產(chǎn)生

從理論上來(lái)說(shuō)，高次諧波可以互相重合，在一定的條件下產(chǎn)生紫外光脈沖，每個(gè)脈沖可持續(xù)幾百阿秒。如果只是從理論來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)阿秒光脈沖似乎不難，但要對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證卻并不簡(jiǎn)單。真正的突破發(fā)生在2001 年，法國(guó)物理學(xué)家阿戈斯蒂尼和他的研究團(tuán)隊(duì)成功地制造并研究了一系列連續(xù)的光脈沖，這被科學(xué)界稱為光脈沖“列車”。

阿戈斯蒂尼團(tuán)隊(duì)使用了一種特殊的技巧，將光脈沖“列車”和延時(shí)的原始激光束疊放在一起，以探索高次諧波的物理特性。這一過(guò)程也讓他們找到了測(cè)量光脈沖持續(xù)時(shí)間的方法，結(jié)果他們探測(cè)到了持續(xù)時(shí)間為250 阿秒的光脈沖。

阿戈斯蒂尼還發(fā)明了一種用于表征阿秒光脈沖的技術(shù)，稱為“RABBITT”（通過(guò)雙光子躍遷干涉重建阿秒跳動(dòng)）技術(shù)。這一技術(shù)為阿秒脈沖的精確測(cè)量和表征提供了有力工具，有助于更好地理解和應(yīng)用阿秒脈沖。

也是在2001 年，奧地利物理學(xué)家克勞斯和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究一種可以選擇單個(gè)阿秒光脈沖的技術(shù)，那就像將一節(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(gè)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(guò)程。這個(gè)實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著“阿秒物理學(xué)”的誕生。

克勞斯利用“單體”阿秒光脈沖展開(kāi)了對(duì)微觀粒子的研究，其中包括對(duì)電子和分子的動(dòng)力學(xué)行為的研究。他的研究為深入理解阿秒尺度上的物理過(guò)程提供了重要的理論支持?？藙谒故且晃痪Ψ浅３渑媲页錆M創(chuàng)新精神的科學(xué)家。他不僅在基礎(chǔ)研究及激光前沿技術(shù)領(lǐng)域取得了重要成就，且十分注重將研究成果投入應(yīng)用、造福人類。比如，克勞斯近年在中紅外飛秒激光器的研究上有新的突破，他正在與醫(yī)療領(lǐng)域的專家合作，希望這項(xiàng)新技術(shù)能用于癌癥的早期診斷。

阿戈斯蒂尼、克勞斯和呂利耶三位科學(xué)家的連續(xù)突破顯示，科學(xué)家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(cè)和測(cè)量。他們對(duì)阿秒光脈沖的研究成果獲得了科學(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》雜志同時(shí)評(píng)為世界“十大科學(xué)突破”之一。

阿秒光脈沖的應(yīng)用

科學(xué)家費(fèi)盡心血去獲取那些轉(zhuǎn)瞬即逝的阿秒光脈，究竟有何深遠(yuǎn)的意義呢？在科幻電影《閃電俠》中，為了看清閃電俠如何抬腿換步，就需要和他的速度同步。阿秒光脈沖的出現(xiàn)，就如同給科學(xué)家裝上了超級(jí)英雄的視力，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(shí)間和極高的能量密度，阿秒光脈沖可以用來(lái)研究物質(zhì)在極短時(shí)間內(nèi)的行為和性質(zhì)。這對(duì)于理解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性具有重要的科學(xué)價(jià)值。如今，“阿秒物理學(xué)”的大門(mén)已經(jīng)敞開(kāi)，阿秒光脈沖的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。阿秒級(jí)設(shè)備和裝置越來(lái)越普及，正被科學(xué)家作為一種測(cè)量工具，用來(lái)觀察和理解電子、原子和分子的運(yùn)動(dòng)。

在材料學(xué)研究中，阿秒技術(shù)能捕捉到材料快速變化的瞬間，讓我們了解超導(dǎo)材料的秘密。阿秒激光在材料加工和納米制造中也非常有用，因?yàn)樗茉诓牧仙现圃斐龇浅Ｐ〉目锥?、裂紋和切割線。這種技術(shù)不僅提高了加工的精度，還大大提高了材料的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

阿秒技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。這種技術(shù)可以用于觀察細(xì)胞和分子層面的快速動(dòng)態(tài)過(guò)程，提供高分辨率的圖像，從而幫助科學(xué)家更好地理解生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。比如，阿秒技術(shù)可以觀察到光合作用過(guò)程中電子的快速運(yùn)動(dòng)，揭示光合作用的機(jī)制和效率，有助于開(kāi)發(fā)更有效的光合作用途徑，為解決全球能源問(wèn)題提供新的思路。

阿秒技術(shù)對(duì)疾病診療具有重要意義。由于阿秒光脈沖具有超高時(shí)間分辨率，可以捕捉細(xì)胞和分子的快速動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此為醫(yī)生提供更準(zhǔn)確的診斷和治療方案。在醫(yī)學(xué)診斷中，阿秒光脈沖可以應(yīng)用于癌癥研究，幫助科學(xué)家深入了解癌細(xì)胞的生長(zhǎng)轉(zhuǎn)移過(guò)程，為更精確的治療方法的開(kāi)發(fā)提供支持。此外，阿秒光脈沖還可以用于觀察神經(jīng)元的傳導(dǎo)過(guò)程，為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷和治療提供新的思路和手段。

此外，阿秒光脈沖還涉足量子世界的疆域，擔(dān)負(fù)起量子信息處理和量子計(jì)算的重任。阿秒光脈沖憑其獨(dú)特的性質(zhì)，可作為量子比特的操縱工具，因此在量子計(jì)算和信息處理的舞臺(tái)上發(fā)揮著舉足輕重的作用。這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展被寄予厚望，它有可能引領(lǐng)下一場(chǎng)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(kāi)了一扇全新的窗戶。我們堅(jiān)信，隨著時(shí)間的推移，這項(xiàng)技術(shù)將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出更大的價(jià)值。在這個(gè)信息化、量子化的時(shí)代，阿秒光脈沖如同一道明亮的燈塔，照亮了科學(xué)家探索未知世界的道路。未來(lái)，我們有理由期待阿秒光脈沖在更多領(lǐng)域帶來(lái)更多的科技革命和突破。