阿秒科普说——拍摄“光”的超级照相机

前言

北京时间10月3日17时50分许，在瑞典首都斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院宣布，将2023年诺贝尔物理学奖授予美国俄亥俄州立大学名誉教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德国马克斯·普朗克量子光学研究所教授费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大学教授安妮·呂利耶（Anne L’Huillier），三人平分奖金，“表彰他们为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”。他们的实验为人类提供了探索原子和分子内部电子世界的新工具，制造出来的极短的光脉冲，可以捕捉电子移动或能量变化的快速过程。

阿秒脉冲为什么能获得诺贝尔奖，它对物理科学界发展又有什么意义，下面让小编带您一起走近阿秒脉冲。

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阿秒是什么?

首先提出一个问题：马儿在疾驰的时候，是四脚同时腾空，还是始终有一脚着地呢?

十九世纪，这个著名的学界之问得到了解答。1878年，著名的摄影师埃德沃德·迈布里奇改进了当时的快门设计，在跑道上放了一共12处相机和机关，成功地拍下了马儿奔跑的全过程。

通过拼接后的照片，人们找到了问题的答案：快马奔驰时，的确有那么一个瞬间四条腿会同时离开地面。

马儿奔跑过程照片

在摄影技术中，一个“快门”时间内可以曝光并记录一个动作，动作发生时间越短，需要记录它的“快门”就相应地要求越短，否则图像就会出现虚影。因此，提高照相机的快门速度(时间分辨能力)，可以让我们对事物的认识提高到一个更高平。

快马的奔驰尽管很快，但是顶多在0.01的数量级，那如何观测更快的运动呢?

高中时代，我们曾听闻过“飞秒”化学。1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，即1e^−15秒，是极其小的一个时间单位,纵使是光，也只能在1飞秒内走300nm。而今天要介绍的阿秒，则是1秒的100亿亿分之一！（我的速度在你之上！）

相对于宏观物体来说，微观世界的物质（原子、分子）运动的速度更快，为了研究这种运动，科学家们发明了飞秒激光，光脉冲的持续时间短至10-15秒，我们终于可以看清一个原子是怎么运动的了。

飞秒激光是人类在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段，飞秒激光在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还大，已有所应用，科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用。

可是科学家仍然没有停止脚步：他们还想看看原子内部的电子是怎么运动的。

原子核内的电子运动速度更快，氢原子基态电子绕原子核旋转一周的时间是150阿秒，这就意味着飞秒激光已经看不清电子的运动了，人们需要时间宽度在阿秒量级的激光。如何制造阿秒激光就成为了新挑战。

阿秒作为一个时间单位，1 阿秒=10^-18 秒，这是什么概念呢？

我们看一下光在相应时间单位内可以传播多长距离：1秒内光传播30万千米，可以环绕地球约7.5 次，在1 ps时间内，只能传播0.3mm的距离；在1fs时间内，则只能传播0.3μm，这个距离甚至不到一根头发丝的百分之一；而在1as 时间内，光只能传播0.3nm，也就是3个紧紧排在一起氢原子的长度(或者说，1 as的时间还不够光绕氢原子的“赤道”跑一圈)。更具体地来说，一道光从一间寻常大小房间的一端传播到另一端的墙上，这需要上百亿阿秒。

阿秒示意

而激光通过时对电子“拨弄”的程度不同，会使得这些谐波光的波长各有不同。这让科学家马上想到：根据波的叠加原理，波长不同的一组光之间相互叠加，可以产生变亮和变暗交替的叠加效果；如果合理选择初始条件，那么这些谐波光叠加之后形成的亮暗交替现象，就可以充当摄像机里的快门，从而实现超短时间的光脉冲。

也就是说，由于电子扰动产生的光波，经过人为调节后，可以重新成为观察电子运动的神奇工具。这启发了科学家们的灵感。

经过严格的计算和不断地调节初始条件，人们终于实现了这一设想：2001年，皮埃尔-阿戈斯蒂尼通过这种方法，产生了时长为250阿秒的脉冲光，这相当于每秒钟按快门四千万亿次！

几乎在同一时间，费伦茨·克劳斯采用了一种完全不同的实验策略，也成功实现了时长为650阿秒的光脉冲，与皮埃尔-阿戈斯蒂尼的实验不同的是，这一实验首次实现了单个阿秒光脉冲。

在这之后，新世界的大门打开了：来自全世界各地的科学家纷纷跟进，改进实验机制和实验条件，将脉冲光的长度进一步压缩，提升阿秒激光这一“高速摄像机”的性能。中国科学院物理研究所的魏志义课题组在2013年实现了160阿秒的单个光脉冲，标志着我国也在阿秒激光领域占据了一席之地。

阿秒闪光产生的快照

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为什么科学家会致力于阿秒光脉冲的研究？阿秒科学的意义是什么？

人类认识运动着的世界最初的工具是自己的双眼。慢慢地，人们发现，单凭眼睛观察运动已经不够用了。如上文提到的马儿奔跑的问题。快马奔跑时，确实会有一个瞬间，在奔驰中马儿的四条腿会同时离开地面。在此基础上，人们发展出了电影技术。

随着科学技术的发展，人类将运动的观测由宏观世界拓宽到了微观世界。人们发明了电子显微镜，电子显微镜虽然具有超高的空间分辨能力，但是没有超高的时间分辨能力，因此只能探测静态的物质微观世界的空间结构。要想探测运动的微观世界，科学家们还需另寻他法。

终于在1960年，美国物理学家费曼发现了人类探寻微观世界的另一把钥匙：激光。如果你想要清楚地看清一个运动，那么你的快门就得足够快！比如想要观察到分子旋转的动力学过程，就至少需要皮秒（10^（-12）秒）量级的脉冲激光；想要观测到化学键的振动动力学，就需要飞秒（10^（-15）秒）量级的脉冲激光。1991年，D. E. Spence 等人利用自锁模技术，以掺钛蓝宝石为增益介质，获得了60飞秒的激光脉冲，这被看成是人类历史上第一束真正意义上的飞秒激光脉冲。

然而，要想继续进行微观物理的研究，飞秒激光也显得“力不从心”了，在分子中，原子的移动和转动以飞秒为单位；但当整个原子运动时，其时间尺度是由原子内部又大又重的原子核决定的。与光和轻巧灵活的电子相比，原子核的运动极其缓慢。当电子在原子或分子内运动时，它们的速度非常快，以至于飞秒级的时间内就会看不清它们的运动。这就是我们需要阿秒激光的原因。

诺贝尔物理学委员会伊娃·奥尔森说：“我们现在可以打开通往电子世界的大门了。阿秒物理学，使我们有机会了解电子控制的机制，下一步将是如何应用。”

那么，阿秒科学能够应用在什么方面呢？

1.   精密计时：阿秒计时技术可以帮助科学家更精确地测量时候，进一步揭示物质和能量之间的相互作用，这对于基础科学研究、精密计时、导航定位等领域具有重要意义。

2.   原子分子物理：阿秒光脉冲可以用来研究原子分子中的电子结构、动力学和相互作用，例如电子轨道成像、电子隧穿、电离、解离、退激等过程。

3.   凝聚态物理：阿秒光脉冲可以用来研究凝聚态物理，研究固体材料中的电子、声子、自旋和磁性等物质的超快变化，例如电子相变、声子动力学、自旋动力学、磁畴壁运动等过程。

4.   化学反应动力学：阿秒光脉冲可以用来研究化学反应的微观机制，例如反应坐标、过渡态、反应速率、反应路径等参数。

5.   分子生物物理：阿秒光脉冲可以用来研究生物分子的结构和功能，例如蛋白质的折叠、解折叠、构象变化、功能调控等过程。

6.   纳米光学：阿秒光脉冲可以用来研究纳米尺度的光学现象，例如表面等离激元、纳米结构的光学响应、纳米粒子的光学操控等效应。

7.   X射线科学：阿秒光脉冲可以用来产生高亮度的软X射线和硬X射线，从而实现X射线的时间分辨率和空间分辨，例如X射线衍射、X射线吸收、X射线发射等技术。

阿秒原子分子物理学中的应用

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阿秒脉冲的实现

相机快门按下，世界被定格，当一帧一帧的图像不断地播放，世界重归运动的绝对。每秒几帧已足以反映你缓慢的翻书，每秒几十帧已足以复刻运动员的飞奔，但当我们从宏观来到微观，要想观测电子难以捉摸的运动，只有使用阿秒级别的“超级快门”才有可能实现。

在很长一段时间内，通过使用主流激光器，我们只能得到最短6fs（1*10^-15）的光脉冲，fs级的光脉冲的实现依靠的是技术的进步，如使用锁模钛宝石激光器等激光增益介质，但是可见光的时间周期是几飞秒（由光速与可见光波长可知）， 而我们无法令光的脉冲宽度比它的特征光学周期还要短，技术进步已无法帮助我们高歌猛进地进入阿秒的世界。我们需要基于基础物理学的研究范式的转变。

1987年，我们此次的诺奖得主之一Anne L’Huillier利用红外激光通过氖气、氩气等稀有气体，意外地得到了一系列的高次谐波（HHG），高次谐波就好似乐器奏鸣后的泛音。上帝为我们打开了通向原子秘密的大门，就在这些高次谐波中，我们可以得到波长足够小的光。人类迈向了通向阿秒的第一步。

为了能够实际利用这些高次谐波，我们实现需要搞清其产生的物理过程。在这个过程中，P. Corkum教授提出的半经典的三步模型做出了重要贡献。我们可以用高中学过的光电效应来理解这个过程，它们有相同之处但当然不同。三步，就是电离、加速、复合，首先，强激光场使气体原子发生电离，但电子并未实现逃逸，在经过短暂的加速后，它再次回到原子（此时是单电荷离子）的怀抱，而在这个过程中电子获得的能量便以光的形式释放，得到极紫外（XUV）光子，也就得到了阿秒级光脉冲的光来源。

事实上，高次谐波的产生过程天然地有阿秒脉冲串，关键在于如何测量出如此短的脉冲，不然我们如何知晓我们得到了它呢？第二位诺奖得主闪亮登场——Pierre Agostini，他的PABBIT方法使测量阿秒脉冲串得以实现。如今完事具备，2001年，在巴黎萨克雷，13年前第一次发现高次谐波光谱的同一实验中心，Agostini小组得到了250as的光脉冲。随后，在维也纳，第三位诺奖得主Krause的小组得到了650as的孤立脉冲……

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阿秒科学的未来前景

阿秒（Attosecond）是一种时间单位，相当于10^-18秒。在物理学和化学等领域，阿秒被用于研究超快现象，如电子在原子中的运动、化学反应的过程等。未来，阿秒技术将在以下几个方面得到应用和发展：

1. 拍摄各种高速运动的过程：阿秒激光可以用来拍摄各种高速运动的过程，如化学反应、分子尺度的运动和原子尺度的运动。用阿秒激光拍摄化学反应的过程，可以帮助科学家们更好地理解反应机理，并进一步改进化学工艺。用阿秒激光拍摄分子和原子的运动，可以揭示它们之间的相互作用和动力学过程，对于材料科学和生物科学的研究非常重要。

2. 超快成像：阿秒激光可用于高速摄影，帮助科学家们观察和控制超快速电子过程，这对于开发更快、更高效的电子设备具有重要意义。

3. 制造更小、更快的电子元件：阿秒激光还可以用于制造更小、更快的电子元件，在信息处理和通信领域有着广泛的应用前景。

4. 科学研究：阿秒激光还可以用于研究物理、化学、材料科学和生物科学中的微观过程。例如，在化学反应中，可以使用阿秒激光来观察和控制化学反应的过程，以便更好地理解反应机制并改进化学工艺。

5. 超快激光：阿秒激光能够产生超强的电场和磁场，可用于研究物质的微观结构和超快化学反应过程。

6. 超快电子学：阿秒技术可以应用于电子学领域，如研制超快计算机、超高速通信系统等。

7. 能源科学：阿秒技术可以帮助研究人员更好地了解能量在物质中的传输和转换过程，为开发新型能源材料提供理论支持。可以用到研究高温超导的物理机制，对于拓扑绝缘体的研究可能也有助力。

8. 生物医学：阿秒技术可以应用于生物医学领域，如研究蛋白质折叠、药物作用机理等，为研发新型药物和治疗方法提供依据，为日后解决癌症提供了一个非常重要的基础技术。

目前，阿秒光脉冲已经成为研究原子、分子等亚原子尺度的物理规律最有力的工具，同时，利用此项技术还可以观察到如闪电产生、药物溶解、生命反应等人类无法分辨的瞬态现象，同时可以帮助人类控制导弹发射、核爆等工程过程，应用前景良好。甚至有人预测到：阿秒或将成为物理学的未来。

阿秒光脉冲探索电子世界

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我国阿秒技术的发展----我国首个阿秒激光装置正在建设中

在我国，阿秒激光的相关研究已被纳入国家重要发展方向。已经建成的相关实验系统及正在规划的科学装置，将为阿秒动力学的研究提供重要的创新手段，通过观察电子运动，成为未来时间分辨率范畴的最好“电镜”。据公开信息，在我国位于粤港澳大湾区的松山湖材料实验室，正在规划一台阿秒激光装置。此设施由中科院物理所与中科院西光所共建，松山湖材料实验室也参与了建设。通过高起点设计，建设具有高重复频率、高光子能量、高通量及极短脉宽的多束线站，提供最短脉宽小于60as、最高光子能量可达到500eV的超快相干辐射，并配备建设相应的应用研究平台，建成后综合指标有望实现国际领先。这台装置的建成将在阿秒动力学研究方面具有重要意义，加强了中国在超快科学领域的竞争力。

回首百年，阿秒光学终于能够回答爱因斯坦光电效应的时间尺度问题；展望未来，阿秒激光终将达到我来-我见-我征服的第三层境界，实现人为干预原子行为，无数的应用前景必将为我们带来又一个如今不可想象的美好未来。

在历史长河中，千千万万人抬头，凝视浩瀚星空，仰观宇宙之大，也有数不胜数不人低头，俯察品类之盛。阿秒脉冲让我们进一步走入了人类曾无法探索的微观世界。“古人不见今时月，今月曾经照古人。”一个个问题被解决，一个个困难被克服，我们走到了千人未有之高度，回答了前人矢志追求的问题，愿今人为寻真理，继续前行！