阿秒激光：為“狂飆”的電子攝影

皮埃爾·阿戈斯蒂尼（左）、費倫茨·克勞斯（中）和安妮·呂利耶（右）因“用實驗方法產生了可用于研究物質中的電子動力學的阿秒量級光脈沖”而獲得2023年諾貝爾物理學獎

　　就像我們用光來觀察周圍的宏觀世界一樣，我們也可以用光來探測亞原子世界。但必須遵守一個原則：任何測量都必須快于被研究系統發生明顯變化所需的時間，否則只能得到模糊的結果。

　　在一個分子中，原子在飛秒（千萬億分之一秒，10^-15秒）時間尺度內運動，其位置和能量在1到幾百阿秒內發生變化，要對其運動進行測量，飛秒技術“愛莫能助”。

　　阿秒有多短暫呢？1阿秒是10^-18秒，也就是十億分之一秒的十億分之一。1阿秒之于1秒，相當于1秒之于宇宙的年齡（138億年）。一束光從房間的一邊到達對面墻上，就需要100億阿秒。

　　阿秒脈沖“現形記”

　　如何讓光脈沖達到阿秒量級？理論上，可通過組合多個波長的短波長激光脈沖來產生更短的光脈沖。

　　中國科學院物理研究所研究員魏志義向科技日報記者解釋道：“要產生新的波長不僅需要飛秒激光驅動，還需要聚焦到氣體，通過光與氣體原子的相互作用產生所謂的高次諧波，高次諧波是在驅動激光的一個周期中，產生兩個周期的波。”

　　1987年，呂利耶及其同事將一束紅外激光聚焦到惰性氣體，結果發現產生的諧波比之前用較短波長激光驅動所產生的諧波更多、更強，并且觀測到的許多諧波具有相似的光強。

　　進一步研究發現，在適當情況下，諧波重合后會出現一系列紫外波段的激光脈沖，其中每個脈沖時長僅幾百阿秒。

　　2001年，阿戈斯蒂尼及其在法國的同事成功產生了一系列僅持續250阿秒的脈沖串。費倫茨·克勞斯和其在奧地利的伙伴們則另辟蹊徑，成功隔離出持續時長650阿秒的單個孤立光脈沖，而且用其跟蹤和研究了將電子從原子中“拉”出來的過程。

　　“正是以這3位科學家為代表的研究人員歷時十幾年的工作，通過聰明才智和不懈努力，使超快科學邁入了阿秒時代。”魏志義說。

　　有望在多個領域“大顯身手”

　　一只小小的蜂鳥每秒可以拍打翅膀80次，用人眼是無法看清的，但用高速攝像機就可將其動作定格成一幀幀清晰的畫面。

　　“阿秒光脈沖正是研究微觀物質世界的‘高速攝像機’，可將‘狂飆’的電子定格下來進行觀察。”魏志義滿懷希望地表示，“在（阿秒）如此短的時間尺度上研究和理解電子，有望促進超高速電子學的快速發展，有朝一日可能催生更強大的計算機芯片。它還使我們能夠根據分子的電子特性來區別分子，并用于快速準確的疾病診斷。”

　　據魏志義介紹，目前國際上除上述研究團隊外，美國、加拿大、意大利、瑞士、日本、韓國等國家的多個研究團隊也一直在開展關于阿秒脈沖的產生及其在物理、化學、生物等諸多領域的應用研究。

　　“如美國中佛羅里達大學常增虎教授團隊先后于2012年及2017年兩次創造了最短阿秒脈沖的世界紀錄，瑞士聯邦技術大學于2017年創造的43阿秒脈沖迄今仍保持著目前最短的世界紀錄。特別是歐盟在匈牙利建設了以阿秒激光為主體內容的極端光設施（ELI-ALPS），用以提供不同領域的科學家開展阿秒科學研究”。對于阿秒領域的成果，魏志義如數家珍。

　　阿秒光脈沖的研究也得到中國科學家的廣泛重視。中國科學院物理研究所、上海光機所、西安光機所、北京大學、華東師范大學、國防科技大學、華中科技大學等單位都在開展阿秒科學的研究。2013年，魏志義課題組首次在國內產生并測得了160阿秒的孤立阿秒脈沖，目前正在進一步朝著更短脈寬、更高能量及更高重復頻率的方向發展，結合終端設備，為阿秒激光在凝聚態物理、原子分子物理、化學、生物醫學、信息、能源等領域的研究提供國際領先的平臺與設施。