天下武功，唯快不破！| 2023诺贝尔物理学奖解秘
正文共2685字，预计阅读时间约为8分钟
2023年10月3日，诺贝尔物理学奖揭晓：美国科学家皮埃尔-阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），匈牙利科学家费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和法国科学家安妮•吕利耶（Anne L’Huillier）分享了奖项，以表彰他们开发了能够产生阿秒光脉冲的实验方法，促进了物质中电子动力学的研究。
2023年诺贝尔物理学奖获得者：皮埃尔-阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮•吕利耶（图片来源：瑞典皇家科学院）
毫不夸张地说，阿秒激光技术的发展，将人类对自然界的观察能力推向了极限，这也将从根本上刷新我们对于自然界的认识。
什么是阿秒激光？
阿秒是一个时间单位，等于10-18秒（小数点后17个零）。这个单位有多“小”？形象地说，1秒钟所包含的阿秒数，相当于宇宙年龄（约1018秒）中所包含的秒数。所谓阿秒激光，指的就是脉冲时间能达到阿秒级别的激光。那么，人们为什么要研究这种激光呢？
什么是阿秒（attosecond）？1秒钟所包含的阿秒数，相当于宇宙年龄中所包含的秒数。（图片来源：瑞典皇家科学院）
举个简单的例子：如果要研究运动员的跑步，我们只需要肉眼和秒表就可以；而如果我们要研究快速运动的物体，肉眼就看不清楚了，此时人们发明了“拍电影”，通过快速的快门开合来形成短时间的光脉冲，让画面在一个短时间内暂时“定格”，这样就方便我们观察了。
为了研究马奔跑时的运动姿态，人们发明了快速按快门产生脉冲光来连续拍照的方法，这也直接促进了电影的诞生
也就是说，如果采用更短时间的光脉冲，那么就可以研究更高速运动的物体；目前最快的相机快门产生的光脉冲时间大概在万分之一秒左右，也就是说每秒钟快门闪一万次，这么快的速度足够人们清晰地拍摄出昆虫振动翅膀的过程。
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。
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(1阿秒 =10-18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。如何制造脉冲时间在10-18秒量级的阿秒激光就成为了新挑战。
以彼之道，还施彼身！
1987年，安妮•吕利耶在实验中发现，在用飞秒激光照射稀有气体后，这些稀有气体会发出一系列的高次谐波光。经过仔细研究，人们确认了这些谐波光的来源：由于飞秒激光是很强的电磁波，因此激光经过原子内部时，会用自己的能量来“拨弄”其中的电子，当激光通过后，这些电子要落回到原来的状态，就要将刚才获得的能量以谐波光的形式释放出去。
激光（图中红线）作为一种很强的变化电磁场，可以与原子中的电子相互作用，使其运动；这种运动结束时，电子要以高频紫外线的形式放出一组光波，这成为了阿秒激光的源头（图片来源：瑞典皇家科学院）
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！
阿秒激光的核心原理：将一系列谐波经过合理安排叠加之后形成了自带“快门”的阿秒激光。（图片来源：瑞典皇家科学院，有改动）
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。
直面自然的真相
正如前文所说，阿秒激光让我们获得了超快的“快门”，因此，快如电子在原子中的运动的过程也能被我们拍摄下来，仔细研究。这是一件听起来就很“酷”的成就，而且它在科学中的应用场景要比听起来还要高大上得多。
例如，利用阿秒脉冲光，人们首次观察到了半导体材料中电子从“价带”（绝缘状态）跳跃到“导带”（导电状态）的过程;又例如，在光电效应中，电子是遇到光子立即被激发，还是吸收完光子之后攒够了能量才激发呢？这一问题连因光电效应获得诺奖的爱因斯坦都回答不清。在阿秒脉冲光的帮助下，人们已经明确“看”到了原子中的不同电子被光激发所需要的时长是不同的，也就是说，光电效应并不是瞬发的。
仔细想一下的话，可以体会这类研究的重大意义：以往，人们是看不到这些现象的，因为它们发生得实在是太快了，只能通过一些理论和一些间接的实验现象，来推测这一过程的存在。而现在不一样了，我们是以见证者的视角切身地“看”到了这一过程的发生，有图有真相，与之前的种种推测相比，这就是阿秒激光带给我们的“实锤”。
总之，在阿秒光学的加持下，非常多的微观过程将不再需要“旁证”才能被证实，而是可以直接观测到。这也意味着微观世界的研究将迎来新的变革。
人们甚至构思并着手研究了一种新应用：用阿秒激光对人体的组织样本进行拍照，就可以找到这些样品中的分子具有的特征信号，而这些特殊信号用肉眼或者普通显微镜是完全无法发现的，却有可能是疾病的先兆。这样一来，体检中就能够在还未发病的阶段就筛查出癌症，从而真正做到“上医治未病”。
“抓到你们啦！让我看看，你们两个小电子在这里偷偷干什么？”（图片来源：瑞典皇家科学院）
写在最后
在研究自然的过程中，人类总是受限于自身的肢体和感官：我们无法生活在海底和太空，无法看得很远，也不能看清很细小的物体。
想要更好地观察世界，就必须用技术手段延伸我们的身体：望远镜让我们看到数亿光年外的星体，显微镜让我们看到单个原子的大小。
而获得本次诺奖的阿秒激光，让我们能够真正地看到原子内部发生的动态过程，极大地改变了人类对微观世界的研究方法，所谓“百闻不如一见”，间接方法再高明有效，也不如用自己的双眼，实际地看上一眼，在这一点上，阿秒激光这一高端的科学却恰好满足了我们最质朴的好奇心：
“世界那么大，我想去看看；电子那么快，我也想看看。”
参考资料：
[1] Anne L'Huillier - Wikipedia
[2] Schultze M, et al. Attosecond band-gap dynamics in silicon. Science, 2014, 346: 1348–1352
[3] M. Schultze, et al. Science 328, 1658 (2010).
[4] A. Marian, et al. Science 306, 2063(2004).
[5] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/press-release/
作者：牧心 审核人：物理所叶蓬特聘研究员
版权说明：未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，并且严禁转载至微信以外的平台！
文章首发于科学大院，仅代表作者观点，不代表科学大院立场。转载请联系cas@cnic.cn
推荐阅读
科学大院是中国科学院官方科普微平台，致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声
主办机构：中国科学院学部工作局 中国科学院科学传播局
运行机构：中国科学院计算机网络信息中心
技术支持：中国科普博览
转载授权、合作、投稿事宜请联系cas@cnic.cn
大院er拍了拍你：不要忘记
点亮这里的 赞 和 在看 噢~