捕捉最短的瞬間，超越測量速度的極限，阿秒光脈沖領(lǐng)域問鼎諾獎

北京時間10月3日17時50分許，在瑞典首都斯德哥爾摩，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2023年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國俄亥俄州立大學(xué)名譽教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、匈牙利-奧地利物理學(xué)家費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大學(xué)教授安妮·呂利耶（Anne L’Huillier），以表彰他們將產(chǎn)生阿秒光脈沖的實驗方法用于研究物質(zhì)中電子動力學(xué)。

今年諾貝爾獎的獎金增加了100萬瑞典克朗（約合65萬元人民幣），達到1100萬瑞典克朗（約合715萬元人民幣），三位科學(xué)家將共享這1100萬瑞典克朗。

獲獎人員簡介

▲皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）

皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）是法裔美國實驗物理學(xué)家，因發(fā)明了用于表征阿秒光脈沖的 RABBITT（通過雙光子躍遷干涉重建阿秒跳動）技術(shù)而聞名。

▲安妮·呂利耶（Anne L’Huillier）

安妮·呂利耶（Anne L’Huillier）1958年生于巴黎，現(xiàn)為隆德大學(xué)原子物理學(xué)教授。她在法國薩克萊核研究中心取得實驗物理學(xué)博士學(xué)位。從1986年起，開始在薩克萊核研究中心正式工作。2021年，安妮?呂利耶因“在超快激光科學(xué)和阿秒物理方面的開創(chuàng)性工作，實現(xiàn)和理解高諧波產(chǎn)生并將其應(yīng)用于原子和分子中電子運動的時間分辨成像”而被授予美國光學(xué)學(xué)會馬克斯·伯恩獎。在2022年，她除了獲得了沃爾夫物理獎以外，還被授予BBVA基金會基礎(chǔ)科學(xué)知識前沿獎。

▲費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）

費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）于1962年出生于匈牙利，是匈牙利-奧地利物理學(xué)家，現(xiàn)在就職于維也納技術(shù)大學(xué)、馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所、以及路德維希馬克西米利安大學(xué)等機構(gòu)。2001年，他的研究團隊產(chǎn)生并測量了第一個阿秒光脈沖，并用它來捕捉原子內(nèi)部電子的運動，標(biāo)志著阿秒物理的誕生。費倫茨·克勞斯及其團隊對飛秒脈沖波形進行控制并由此產(chǎn)生的可重復(fù)的阿秒脈沖，從而建立阿秒測量技術(shù)，是當(dāng)今實驗阿秒物理的技術(shù)基礎(chǔ)。

什么是阿秒？

今年的獲獎?wù)咴趯嶒炛袆?chuàng)造了足夠短的閃光，可以拍攝極快的電子運動的快照。安妮·呂利耶發(fā)現(xiàn)了激光與氣體中原子相互作用的新效應(yīng)。皮埃爾·阿戈斯蒂尼和費倫茨·克勞斯證明，這種效應(yīng)可以用來產(chǎn)生比以前更短的光脈沖。

一只小小的蜂鳥每秒可以拍打翅膀80次，然而在我們看來，只能感覺到嗡嗡的聲音和模糊的翅膀動作。對于人類的感官來說，快速的運動會變得模糊，而那些極短的事件則無法觀測到——我們需要依靠特別的技術(shù)來捕捉或描繪這些非常短暫的瞬間。借助高速攝影和閃光燈，我們得以捕捉到那些轉(zhuǎn)瞬即逝的現(xiàn)象的具體形貌。如果想要拍攝到飛行中蜂鳥的高清照片，那么就需要曝光時間比蜂鳥的單次振翅還要短得多。如果要捕捉到越快的事件，需要的拍攝速度也越快。

同樣的原理適用于所有用于測量或描述快速運動過程的方法：任何測量都必須比目標(biāo)系統(tǒng)發(fā)生明顯變化的時間更快，否則就只能得到模糊的結(jié)果。今年的諾貝爾物理學(xué)獎獲獎?wù)咴趯嶒炛姓故玖艘环N產(chǎn)生光脈沖的方法，這種脈沖足夠短，足以捕獲原子和分子內(nèi)部過程的圖像。

原子的自然時間尺度非常短。在分子中，原子可以在千萬億分之一秒（飛秒）內(nèi)移動和旋轉(zhuǎn)，這些運動可以用激光產(chǎn)生的極短脈沖來研究。但當(dāng)整個原子運動時，時間尺度是由它們大而重的原子核決定的，與輕而靈活的電子相比，原子核的速度極其緩慢。當(dāng)電子在原子或分子內(nèi)部移動時，它們的移動速度非?？?，以至于在飛秒尺度下都無法清晰描述了。在電子世界中，位置和能量以一到幾百阿秒的速度變化，而阿秒是10^-18秒。一阿秒非常短，一秒鐘內(nèi)的阿秒數(shù)與138億年前宇宙誕生以來所經(jīng)過的秒數(shù)相同。舉一個離我們生活更近的例子，我們可以想象一束光從房間的一端發(fā)射到對面的墻壁——這需要100億阿秒。

一直以來，飛秒被認(rèn)為是可以產(chǎn)生的閃光的極限。只是改進現(xiàn)有技術(shù)還不足以看到電子在極其短暫的時間尺度上運動的過程——科學(xué)家需要一些全新的東西。而今年的獲獎?wù)唛_辟了阿秒物理學(xué)的全新領(lǐng)域。

什么是阿秒脈沖激光？

根據(jù)發(fā)光持續(xù)時間的長短，激光一般被分類為連續(xù)激光和脈沖激光。連續(xù)激光能夠在長時間內(nèi)產(chǎn)生激光但輸出的功率較低。脈沖激光工作方式是在一個個間隔的小時間段內(nèi)發(fā)射光脈沖，其峰值功率很高。從20世紀(jì)激光誕生開始到其后的80年代，脈沖激光的單個脈沖時間可以達到皮秒量級。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光的脈沖寬度也在不斷縮小。

▲不同運動過程的時間尺度

如何將脈沖光壓縮到阿秒量級？在傅里葉變換中，時域的一個脈沖越窄，它在頻域空間的帶寬就越大。也就是說，如果我們能產(chǎn)生足夠大帶寬，相位鎖定的相干光，它天然的就是超短脈沖。根據(jù)能量和時間的不確定關(guān)系，當(dāng)連續(xù)譜頻率寬度達到4eV以上時，我們就可以獲得阿秒脈沖了。剛好，高次諧波產(chǎn)生就能提供這樣的一個寬頻帶的相干光源。

目前阿秒脈沖激光主要是由飛秒（10^-15秒）激光（也稱超快超強激光）作用于惰性氣體而產(chǎn)生的高次諧波所形成的。高次諧波產(chǎn)生（high harmonic generation，HHG）是一種極端的非線性效應(yīng)，強場激光聚焦到氣體介質(zhì)上的時候，會發(fā)生非線性效應(yīng)，可以得到上百階的高能諧波光子。作為一種相干的寬譜高能光源，它可以用來產(chǎn)生阿秒脈沖（10^-18s）。

▲瞬時功率(peak intensity)高達10^14 W/cm^2的飛秒脈沖與惰性稀有氣體相互作用，可產(chǎn)生高次諧波HHG的過程

為了更直觀理解氣體高次諧波產(chǎn)生的物理機制，引入半經(jīng)典三步模型。半經(jīng)典三步模型：第一步為隧穿電離，強激光場使氣體原子的庫倫勢發(fā)生傾斜，電子能夠通過隧道電離方式逃離原子核的束縛，進入連續(xù)態(tài)；第二步是強場加速，進入連續(xù)態(tài)的電子則在外加激光電場力的驅(qū)動下加速運動，下進行加速運動，從而積累一定的動能；第三步是復(fù)合發(fā)光，加速運動的電子會在某些時刻以一定概率再回到電離的原子核附近與之發(fā)生復(fù)合，在復(fù)合過程中電子會將其在激光電場中運動累積的動能進行釋放，也即將動能轉(zhuǎn)化為高次諧波光子的能量。

▲利用高次諧波產(chǎn)生阿秒脈沖激光過程

電子在激光場不同時刻電離后，在光場中飛行獲得的能量不同，最終復(fù)合時釋放的能量也不同，因此產(chǎn)生覆蓋較寬的光譜，形成一個極紫外脈沖。該三步過程在飛秒驅(qū)動激光每半個周期發(fā)生一次，形成一個等時間間距的極紫外脈沖序列，并在頻域發(fā)生干涉而形成梳齒狀的分立HHG光譜。

按照諧波級次強弱變化分類，其頻譜可分為3個部分：微擾區(qū)，區(qū)內(nèi)高次諧波的級次較低，諧波效率隨著級次的提升而快速下降；平臺區(qū)，諧波光譜的中部，各級次強度相差不大；截止區(qū)，該區(qū)域的諧波級次較高，效率也隨著級次的提升而下降，也有可能是沒有干涉的連續(xù)光譜。

HHG在驅(qū)動飛秒激光(有時也稱為基頻光)的每半個光周期產(chǎn)生一次，輻射出的極紫外脈沖寬度小于半個光周期，達到亞飛秒即阿秒量級。頻域中梳齒狀的HHG譜在時域上對應(yīng)一個阿秒脈沖序列，或稱阿秒脈沖串。利用飛秒脈沖作為驅(qū)動源，并采用相應(yīng)的選通(gating)方法，就可以從HHG的阿秒脈沖序列中選出一個脈沖，稱為孤立阿秒脈沖；其與驅(qū)動脈沖重復(fù)頻率相同，且精確同步。

阿秒激光的發(fā)展現(xiàn)狀阿秒脈沖激光的出現(xiàn)被認(rèn)為是激光科學(xué)歷史上最重要的里程碑之一。

從20世紀(jì)60年代第一道激光誕生開始，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，激光的脈沖寬度也在不斷縮小：1981年，科學(xué)家采用鎖模技術(shù)將脈沖激光的脈沖寬度縮小到了＜100fs。2001年，由本次諾獎獲得者之一、彼時在奧地利維也納技術(shù)大學(xué)的費倫茨·克勞茲教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，首次在實驗中獲得了脈寬650阿秒激光；2006年，來自美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學(xué)家利用級聯(lián)自由電子激光器產(chǎn)生的飛秒激光脈沖激發(fā)惰性氣體，產(chǎn)生了脈寬為100阿秒超短激光脈沖；2012年，美國中佛羅里達大學(xué)研究團隊成功將飛秒激光脈沖激發(fā)氖氣形成高次諧波，獲得了67阿秒的超短激光脈沖；2017年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家們又進一步將脈沖時間縮短到了43阿秒……

值得注意的是，2013年，我國中科院物理所研究小組使用3.8飛秒的驅(qū)動脈沖獲得了160阿秒的孤立脈沖，成為我國阿秒脈沖的唯一實驗結(jié)果。

打開新視野，應(yīng)用潛力無限

阿秒光脈沖技術(shù)的出現(xiàn)為多領(lǐng)域科學(xué)研究提供了全新的視角，幫助人類在X射線、自由電子激光、可控高溫超導(dǎo)等諸多領(lǐng)域取得了重大的新突破。人類可以用阿秒脈沖去跟蹤化學(xué)反應(yīng)中的電子，去了解甚至操控反應(yīng)的進程；可以仔細觀察光電池和納米結(jié)構(gòu)中的電子，尋找更高效的太陽能電池和更結(jié)實的納米纖維；可以用阿秒激光度量超導(dǎo)體中的電子對，去尋找揭開超導(dǎo)秘密的鑰匙。

以電子振蕩技術(shù)為例，2013年，德國馬普光學(xué)研究所阿秒物理實驗室發(fā)現(xiàn)，超高峰值功率的超短激光脈沖可以改變絕緣材料電特性，在絕緣體中引發(fā)超快振蕩的電場和電流，電場和電流的振蕩與入射激光的“開”與“關(guān)”直接相關(guān)，進而說明絕緣體導(dǎo)電性的轉(zhuǎn)換是在阿秒級時間內(nèi)完成的。換而言之，該實驗證明，材料的基本導(dǎo)電特性能夠以光場的振蕩速度來增加或減小。

如果人類能夠擁有一把阿秒激光“鑷子”，那么，儲存和操作量子計算機中的電子和光子就可能夢想成真，類似的一把“鑷子”也可以用來分析DNA和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和行為，或是把藥物放進生病的細胞，那么癌癥和其他的疑難雜癥就有可能被治愈……換而言之，阿秒光學(xué)會逐漸拓展到阿秒物理學(xué)、阿秒化學(xué)、阿秒電子學(xué)等等。

如今，阿秒光脈沖技術(shù)已成為物理、化學(xué)、生物等多學(xué)科中重要的研究手段。鑒于其巨大的潛在應(yīng)用價值，美國、歐洲、日本等國已將阿秒激光技術(shù)列為未來10年激光科學(xué)發(fā)展最重要的發(fā)展方向之一。

整理/記者 劉大珩 王雪瑩

來源：“環(huán)球科學(xué)”公眾號、“中科院物理所”公眾號、“焊接之家“公眾號、澎湃新聞、返樸等