[科普中國]-阿托秒

長期以來，“阿托秒”一直作為一個理論上的時間量程而存在，阿托秒是一種新發(fā)現(xiàn)的“時間切片”，它很微小但卻有巨大的應用潛能。原子核內部作用過程的持續(xù)時間可用阿托秒（10的負18次方秒）表示。

簡介阿托秒（英語：attosecond），符號as，是一種時間的國際單位，為 10-18秒，或 1/1000飛秒。比例上，一阿秒之于一秒，如同一秒之于 317.1 億年，約為宇宙年齡的兩倍。1

起源時間單位正變得越來越小。其實，它現(xiàn)在已經變得很小了：4年前，物理學家們想方設法制造出了激光脈沖，雖然它只持續(xù)了飛秒（1飛秒相當于10ˉ15秒）。在日常攝影中，照相機的閃光燈能在1/1000秒內“定格時間”——這個速度快到可以捕捉到棒球擊球手迅速揮臂擊球的動作，當然一個超速運轉的快球除外。同樣，飛秒“閃光燈”還能夠使用科學家們在微觀物質世界里觀察到一些以前從未見過的現(xiàn)象：振蕩的分子、化學反應中原子形成的化學鍵以及其他超小、超快的事物。

超快的事物是不易把握住的。各種超快的事情都可能在一兩飛秒之內發(fā)生，如果你的閃光燈太慢，你就會漏掉這些轉瞬即逝的鏡頭。因此科學家們正努力鉆研，爭分奪秒地研制更細微更精確的“時間窗”，用它來觀察物質世界。由一些知名的物理學家們組成的國際攻關小組終于成功地突破了所謂的“飛秒障礙”。他們用一種復雜的高能激光發(fā)生器，制造出了能夠持續(xù)多于0.5飛秒——精確地說是650阿托秒的光脈沖。長期以來，“阿托秒”一直作為一個理論上的時間量程而存在，而這次每個人都切實地感受到了它。發(fā)現(xiàn)者來自渥太華的Steacie的一名物理學家，也是這項研究的主要調查員之一——保羅*考庫對此評價道：“它是物質真正的時間量程。我們正學會利用原子和分子本身的特點，來觀察由它們組成的微觀世界。”

雖然這一科研成果很少有人欣賞，但實際上，我們人類的生理功能卻同時存在于——并且取決于——幾個不同的時間量程。例如，普通人的心臟每秒跳動一次：閃電的速度是1/100秒；一臺家用電腦能1納秒內運行一個簡單的軟件指令；電路在1皮秒內開關若干次。時間單位正變得越來越小，人們越來越難于趕上它們的步伐。

歷史沿革20世紀60年代，激光的發(fā)明為科學家們跟上時間的節(jié)拍提供了一個推進力。最常見的激光是通過激發(fā)諸如氖氣等惰性氣體中的原子而產生的（其他種類的激光是以激發(fā)固體，如紅寶石，甚至是有機染料等物質而產生的）。當原子被激發(fā)而“放松”后，它們中的電子又重新依序排列，這些被激發(fā)的氣體產生出一種具有特定波長的光——可見光、微波、紅光或藍光——這全部要取決于相關的原子。一束激光可以迫使光波在介質中以同樣的頻率旅行，而且把它發(fā)出的光和熱集中到一束強光內。

制作制造激光脈沖比較棘手。首先，物理學家們使用極小的鏡子，以讓光束在激光束內來回穿過自身。光波在那里相互干涉，波峰與波谷被調諧行趨于一致。然后，他們用那精致的超快的光柵除去雜波，只留下單一波長的光束通過。瞧，光脈就這樣被制造出來了。

20世紀80年代末期，激光脈沖已經達到6飛秒的短暫記錄。如今，科學家們在觀察某個化學反應時，已不必再拿這個反應發(fā)生前和發(fā)生后的照片進行參照了——現(xiàn)在他們可以應用新的“激光脈沖攝影”技術，以觀看慢動作電影的方式來觀察這些化學反應的中間過程了。從那時起，生物學科學家們漸漸把研究重心集中到光合作用和其他分子反應的結構上，一門

新的科學——“飛化學”就這樣應運而生了。1999年，加州理工學院的阿姆德.澤瓦爾，通過一系列巧秒的實驗揭示了化學鍵是如何斷裂又是如何在100~200飛秒的時間內重新排列的，他也因此獲得了那一年度的諾貝爾化學獎。

實用領域飛秒脈沖已不僅僅被看做是一架照相機的快門或閃光燈，它已經發(fā)展成一種強大的的實用工具。它還是個鉆洞高手，能鉆出極小的孔洞：它的能量積聚得很快，讓其周圍的物質根本就沒有時間來被加熱，因此發(fā)生混亂或無效的情況較少。而且，飛秒脈沖只有約1/1000毫米長（與它相比，一秒鐘光脈沖的長度相當于從地球到月亮的距離）。讓我們把飛秒脈沖想象成是極小的炸彈。它們能聚焦并穿過透明材料的表面來點燃物質。我們還可以用飛秒脈沖來記錄玻璃中的光學波導，這是一項進步，它能引起數(shù)據存儲和無線通訊的革命。研究者們利用飛秒脈沖研究出一種新方法，可以直接在眼角膜上進行激光眼外科手術，而不會損壞眼角膜上而的組織。

對此，保羅.考庫評價說：“（這種新方法）就如同你把手放進微小的生物組織中來做手術一樣方便，而且這種手術耗費的能量很少?！?/p>

簡而言之，對于操縱整個原子和分子不講，飛秒可以說是游刃有余。但對那些比原子核小得多、輕得多、速度也快得多的電子感興趣的物理學家們來說，這種時間量程還是太慢了。于是，我們就進入到了“阿托秒”的研究領域。理論家們一直懷疑，飛秒大小的可見光脈沖組成的，就像一個音符包含著許多諧音。但問題是我們如何來測量它們——它們所發(fā)出的電磁和聲波非常微弱，另外它們發(fā)出的紫外線和X射線的波長太短以至于我們難以覺察。

利用一個經過修正的干涉計（一種用于激光的特殊濾光器），克羅茲和他的同事開始搜尋阿托秒。他們首先向一股氖原子流中發(fā)射了超短波長（7飛秒）的紅色激光脈沖，來剝離的電子就被激光脈沖攜帶，并幾乎立即被重新射入到氖原子核內。這種效果有些類似于用箭射一只鈴鐺。用電子轟擊氖原子核的結果，正如預期的那樣，產生了X光和遠紫外線的高頻諧波。接著，物理學家們過濾了這些諧波光，只允許他們精選的X光脈沖——包括一個只有650阿托秒長的X光脈沖——通過。

在物理學家捕捉到阿托秒沖的同時，他們也論證了其效用。他們把阿托秒脈沖和波長較長的紅光脈沖同時瞄準一種氪原子，踢開了電子；而紅光脈沖則撞上了電子，只是試探了一下它們的能量。從這兩個脈沖時間上的差別判斷，科學家們獲得了一個非常精確的測量數(shù)據，知道了電子要花多久（多少阿托秒）才會衰退。此前科學家們還從不沒有利用這樣短的一種時間量程來從事電子動力的研究。

這個實驗在物理學界引起了很大的反響。美國Brookhaven國家實驗室的一位物理學家易斯.迪羅對此贊賞道：“阿托秒為我們重新認識電子帶來一種新方法。它正成為一種新的物質探測器，不久就會在科學界得到廣泛應用?！鞍⑼形锢韺W”的紀元來到了?！?/p>

物理學家們希望能夠做到的不僅僅是了解電子得失能量的情況?？肆_茲說：“我們不僅要用阿托秒脈沖來追蹤這些微觀粒子運動的過程，還要用它來控制原子被激發(fā)后的緩釋作用。這真令人興奮不已。”舉例來說，通過控制原子，在阿托秒這種時間量程上釋放出X射線，來建立一個有效的X射線激光器，這是物理學家長久以來的夢想。從事半導體事業(yè)的人們渴望加速計算機芯片、晶體管和其他電子在我們看來簡直就是些慢吞吞的家伙。克羅茲說：“當你進入更微觀的物質結構中，比如在原子核中，你就會發(fā)現(xiàn)一些粒子的運動速度會更快。那時我們在核子物理學中所選用的將是幾種更微小更精確的時間量程，屆時我們將進入zepto秒的王國。”

時間間距1阿秒：光飛越3粒氫阿子的時間。

24阿秒：時間的原子單位。

200阿秒：鈹-8的半衰期。

參見原秒物理學(阿秒物理學)

本詞條內容貢獻者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學院工程熱物理研究所