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2023-10-7 10:11| 發(fā)布者：cphoto| 查看：560| 評論：0|來自: 科技日報

摘要：科技日報記者劉霞當(dāng)?shù)貢r間10月3日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，2023年諾貝爾物理學(xué)獎由美國俄亥俄州立大學(xué)的皮埃爾·阿戈斯蒂尼、德國馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所的費倫茨·克勞斯以及瑞典隆德大學(xué)的安妮·呂利耶共同 ...

科技日報記者劉霞

當(dāng)?shù)貢r間10月3日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，2023年諾貝爾物理學(xué)獎由美國俄亥俄州立大學(xué)的皮埃爾·阿戈斯蒂尼、德國馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所的費倫茨·克勞斯以及瑞典隆德大學(xué)的安妮·呂利耶共同獲得。

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(chǎn)生了可用于研究物質(zhì)中的電子動力學(xué)的阿秒量級光脈沖”而獲得2023年諾貝爾物理學(xué)獎。

圖片來源：諾貝爾獎官網(wǎng)

瑞典皇家科學(xué)院指出，他們“證明了一種制造極短光脈沖——阿秒脈沖的方法，這種方法可用于測量原子和分子內(nèi)部的電子運動或改變能量的快速過程，為人類探索電子世界提供了新工具”。其中，呂利耶從激光與氣體中原子的相互作用中發(fā)現(xiàn)了諧波效應(yīng)；阿戈斯蒂尼和克勞斯則證明用這種效應(yīng)可以產(chǎn)生比飛秒脈沖更短的阿秒光脈沖。

諾貝爾物理學(xué)委員會主席伊娃·奧爾森指出：“我們現(xiàn)在可以打開電子世界的大門。阿秒物理學(xué)讓我們有機(jī)會了解控制電子的機(jī)制，下一步將是更好地利用它們?！?/div>

從飛秒到阿秒

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。但有一個原則必須遵守：任何測量都必須快于被研究系統(tǒng)發(fā)生明顯變化所需的時間，否則只能得到模糊的結(jié)果。

在一個分子中，原子在飛秒（千萬億分之一秒，10的負(fù)15次方秒）時間尺度內(nèi)移動和轉(zhuǎn)動。因此，科學(xué)家們可以借助此前最短的光脈沖——飛秒脈沖來對其開展研究。1999年，美國加州理工學(xué)院教授艾哈邁德·澤維爾因為利用飛秒激光觀察反應(yīng)過程中化學(xué)分子的過渡態(tài)，獨享當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎。

而電子在原子或分子內(nèi)部“狂飆”時，其位置和能量在一到幾百阿秒內(nèi)發(fā)生變化，要對其運動開展測量，飛秒技術(shù)“愛莫能助”。

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

阿秒脈沖“現(xiàn)形記”

如何讓光脈沖達(dá)到阿秒量級？科學(xué)家通過理論計算認(rèn)為，可以通過組合多個波長的短波長激光脈沖來產(chǎn)生更短的光脈沖。

用最短光脈沖探索電子世界。

圖片來源：諾貝爾獎官網(wǎng)

中國科學(xué)院物理研究所研究員魏志義對科技日報記者解釋說：“要產(chǎn)生新的波長不僅需要飛秒激光驅(qū)動，還需要聚焦到氣體，通過光與氣體原子的相互作用產(chǎn)生所謂的高次諧波，高次諧波是在驅(qū)動激光的一個周期中，產(chǎn)生兩個周期的波?！?/div>

據(jù)諾貝爾獎委員會官網(wǎng)介紹，1987年，呂利耶及其同事將一束紅外激光聚焦到惰性氣體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的諧波比之前用較短波長激光驅(qū)動所產(chǎn)生的諧波更多、更強(qiáng)，并且觀測到的許多諧波具有相似的光強(qiáng)。

科學(xué)家們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，一旦這些諧波存在，它們會相互作用。當(dāng)這些諧波的峰值相互重合時，光會變得更強(qiáng)烈；但當(dāng)一個諧波的波峰與另一個諧波的波谷重合時，光會變得不那么強(qiáng)烈。在適當(dāng)?shù)那闆r下，諧波重合后會出現(xiàn)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。物理學(xué)家在上世紀(jì)90年代就明白了這背后的理論，但直到2001年才真正揭示其“廬山真面目”。

2001年，阿戈斯蒂尼及其在法國的同事，在實驗上成功產(chǎn)生了一系列僅持續(xù)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(xù)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。

“正是以這三位科學(xué)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(xué)邁入了阿秒時代！”魏志義強(qiáng)調(diào)說。

阿秒脈沖有望在多個領(lǐng)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，但采用高速攝影相機(jī)就可將其動作定格成一幀幀清晰的畫面。

魏志義形象地指出：“阿秒光脈沖正是研究微觀物質(zhì)世界的‘高速攝影相機(jī)’，可將‘狂飆’的電子定格下來進(jìn)行觀察?！?/div>

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(jìn)超高速電子學(xué)的快速發(fā)展，有朝一日可能催生更強(qiáng)大的計算機(jī)芯片。它還使我們能夠根據(jù)分子的電子特性來區(qū)分分子，并用于疾病的快速準(zhǔn)確的診斷。”

據(jù)諾貝爾獎委員會官網(wǎng)介紹，克勞斯團(tuán)隊通過結(jié)合寬帶光學(xué)、超快激光光源和精確的飛秒-阿秒泵浦探測技術(shù)，開發(fā)出了電場分子指紋技術(shù)，可以探測生物流體內(nèi)分子成分的變化。這有望成為一種新的體外診斷分析技術(shù)，檢測血液樣本中疾病的特征分子，這一技術(shù)的優(yōu)點在于可以同時監(jiān)測許多分子，且不會對人體造成傷害。

據(jù)魏志義介紹，目前國際上除上述研究組外，美國、加拿大、意大利、瑞士、日本、韓國等國家的多個研究組也一直開展有阿秒脈沖的產(chǎn)生及在物理、化學(xué)、生物等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

“如美國中佛羅里達(dá)大學(xué)常增虎教授的團(tuán)隊先后于2012年及2017年兩次創(chuàng)造了最短阿秒脈沖的世界紀(jì)錄，瑞士聯(lián)邦技術(shù)大學(xué)于2017年報道的43阿秒結(jié)果迄今仍保持著目前最短的世界紀(jì)錄。特別是歐盟在匈牙利建設(shè)了以阿秒激光為主體內(nèi)容的極端光設(shè)施（ELI-ALPS），用以提供不同領(lǐng)域的科學(xué)家開展阿秒科學(xué)研究”，對于阿秒領(lǐng)域的成果，魏志義如數(shù)家珍。

阿秒光脈沖的研究也得到中國科學(xué)家的廣泛重視。中國科學(xué)院物理研究所、上海光機(jī)所、西安光機(jī)所、北京大學(xué)、華東師范大學(xué)、國防科技大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位都開展有阿秒科學(xué)的研究。2013年，魏志義課題組首次在國內(nèi)產(chǎn)生并測量得了160阿秒的孤立阿秒脈沖，目前正在進(jìn)一步朝著更短脈寬、更高能量及更高重復(fù)頻率的方向發(fā)展，結(jié)合終端設(shè)備，為阿秒激光在凝聚態(tài)物理、原子分子物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、信息、能源等領(lǐng)域的研究提供國際領(lǐng)先的平臺與設(shè)施。

凡是過往，皆為序章！隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來有望產(chǎn)生比阿秒更短的時間單位，如仄秒（10的負(fù)21次方秒）、幺秒（10負(fù)24次方秒）等。在科學(xué)探索和技術(shù)發(fā)展的征程中，人類前進(jìn)的腳步永不停歇。