如果相機(jī)夠快，拍下來(lái)的都是“慢動(dòng)作”。

蜂鳥(niǎo)每秒鐘可以拍打翅膀80次。人眼無(wú)法看清，但高速相機(jī)可以將其動(dòng)作定格成一幀幀清晰的畫(huà)面。

24年前，1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予使用當(dāng)時(shí)世界上最快的“相機(jī)”的美國(guó)加州理工學(xué)院教授艾哈邁德·H·祖瓦伊勒（Ahmed H. Zewail）。他用飛秒激光看到反應(yīng)過(guò)程中化學(xué)分子的過(guò)渡態(tài)。

而今，世界最快“相機(jī)”再次升級(jí)，速度加快千倍，從飛秒跨越到阿秒，“看到”分子中電子的運(yùn)動(dòng)，并斬獲2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

阿秒光脈沖（簡(jiǎn)稱“阿秒脈沖”）是一束極短促的閃光，提供了一開(kāi)一關(guān)極快的相機(jī)“快門(mén)”，能夠“拍攝”到狂飆中的電子。

發(fā)明這種基礎(chǔ)科學(xué)的新工具、新技術(shù)的科學(xué)家們，將人類帶進(jìn)了阿秒時(shí)代。

一秒鐘內(nèi)的阿秒數(shù)與138億年前宇宙誕生以來(lái)所經(jīng)過(guò)的秒數(shù)相同。圖：Johan Jarnestad

電子繞氫原子核一周大約需要150阿秒。

而目前阿秒脈沖的世界紀(jì)錄是43阿秒脈沖。

10月3日下午，中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員、博士生導(dǎo)師方少波告訴澎湃科技，進(jìn)一步增強(qiáng)阿秒脈沖，現(xiàn)在還存在技術(shù)難度。目前43阿秒脈沖的世界紀(jì)錄保持者、來(lái)自德國(guó)的托馬斯·高尼茨（Thomas Gaumnitz）在攻讀博士學(xué)位期間，因?yàn)槊τ诖罱ò⒚朊}沖光源，一直沒(méi)有發(fā)表論文，直到博士后階段才發(fā)表了第一篇研究論文。

上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師劉一向澎湃科技表示，2023年三位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主中，他最熟悉的是安妮·勒惠利爾（Anne L’Huillier）。從2014年開(kāi)始，雙方就空氣激光等相關(guān)課題展開(kāi)合作，先后在安妮實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)4次合作實(shí)驗(yàn)。

劉一介紹，安妮出生在法國(guó)巴黎，在法國(guó)攻讀了博士學(xué)位。她溫和、內(nèi)斂，言辭不多，但非常有智慧。她對(duì)葡萄酒很有研究，能夠分辨不同葡萄酒的年份。

安妮是第5位被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性。

劉一表示，脈沖更短，能量更高，重復(fù)頻率更高，這是阿秒脈沖領(lǐng)域內(nèi)人們正在努力的三個(gè)維度。除了在泵浦激光、產(chǎn)生介質(zhì)等方面進(jìn)行改進(jìn)外，他表示，普通實(shí)驗(yàn)室用的聚焦透鏡是1米或2米長(zhǎng)的，但在歐盟一些實(shí)驗(yàn)室用的聚焦透鏡長(zhǎng)達(dá)50米，就是為了產(chǎn)生更強(qiáng)的阿秒脈沖。

阿秒脈沖：最快的光？錯(cuò)！

有人直觀上認(rèn)為阿秒脈沖是最快的光，所以能追蹤飄忽運(yùn)動(dòng)的電子。

但實(shí)際上，在同一介質(zhì)中，光速不變。

“更準(zhǔn)確地說(shuō)，是最短的，目前最短的光脈沖。”劉一告訴澎湃科技，用最短的光脈沖可以探索電子世界。但還有比阿秒更短的時(shí)間單位——仄秒（10^?21秒）、幺秒（10^?24秒）等, “人類對(duì)自然的探索無(wú)止境” 。

如果簡(jiǎn)單地把電子看作是原子核周?chē)摹俺?jí)跑車(chē)”或者子彈，那么阿秒脈沖如同開(kāi)關(guān)很快的相機(jī)快門(mén)，可以將電子“拍攝”下來(lái)。

劉一表示，“好比子彈飛過(guò)去了，如果你相機(jī)的快門(mén)不夠快的話，你拍到的是一條線、一個(gè)影子，而非清晰的子彈。而阿秒脈沖提供了一個(gè)很快的‘快門(mén)’，曝光時(shí)間尺度很短?！?/p>

靜止是相對(duì)的。

方少波告訴澎湃科技，曝光時(shí)間之所以要短，是為了在快門(mén)一開(kāi)一關(guān)之間，被拍攝對(duì)象幾乎相當(dāng)于是靜止的，或者它移動(dòng)的距離足夠短，否則很難定格清晰的瞬間。

北京時(shí)間3日17時(shí)50分許，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予發(fā)明了這種極短閃光技術(shù)的三名科學(xué)家——美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)名譽(yù)教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德國(guó)馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所教授費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大學(xué)教授安妮·勒惠利爾（Anne L’Huillier），以表彰他們?cè)凇爱a(chǎn)生阿秒光脈沖以研究物質(zhì)中電子動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法”方面所做出的貢獻(xiàn)。

阿秒是光脈沖的脈沖寬度。劉一解釋說(shuō)，“脈沖寬度的概念沒(méi)那么抽象。比如說(shuō)激光筆。我們手指頭一按打開(kāi)激光筆，再一放關(guān)掉激光筆，就產(chǎn)生了一個(gè)激光脈沖。脈沖寬度是脈沖持續(xù)的時(shí)間。假如有人能夠在1阿秒內(nèi)一按一放激光筆，而且激光筆也有足夠快地響應(yīng)的話，那么也可以產(chǎn)生阿秒脈沖?？墒?，沒(méi)人能按得這么快，激光筆也沒(méi)有那么快響應(yīng)。。”

飛秒激光卻可以“按得”這么快。

1阿秒等于千分之一飛秒，相當(dāng)于10?1?秒。一秒鐘內(nèi)的阿秒數(shù)與138億年前宇宙誕生以來(lái)所經(jīng)過(guò)的秒數(shù)相同。一束光從房間里一堵墻照射到另一堵墻，需要100億阿秒的時(shí)間。

用飛秒激光驅(qū)動(dòng)氣體等介質(zhì)，可以產(chǎn)生阿秒尺度的光脈沖。

飛秒激光作為驅(qū)動(dòng)光，通過(guò)高次諧波過(guò)程產(chǎn)生極紫外或更短波長(zhǎng)的阿秒相干輻射。圖：Johan Jarnestad

中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員魏志義等人2021年發(fā)表在中文學(xué)術(shù)期刊《物理》上的一篇論文表示，超快激光于20世紀(jì)80年代進(jìn)入了飛秒激光時(shí)代。強(qiáng)場(chǎng)超快激光脈沖的一個(gè)重要用途是作為驅(qū)動(dòng)光，通過(guò)高次諧波過(guò)程產(chǎn)生極紫外或更短波長(zhǎng)的阿秒相干輻射。以氣體高次諧波為例，當(dāng)惰性氣體與強(qiáng)場(chǎng)激光相互作用時(shí)，每個(gè)激光周期伴隨產(chǎn)生兩個(gè)阿秒脈沖。氣體高次諧波的三步模型認(rèn)為，激光場(chǎng)將首先使氣體原子發(fā)生隧穿電離，釋放出的光電子在電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，加速后的光電子最終與母體離子復(fù)合，使原子回到初始的量子態(tài)，多余的能量則以高能光子的形式釋放，即高次諧波。

冷門(mén)領(lǐng)域！36年前解決原理問(wèn)題，20年前突破技術(shù)難題

“如果認(rèn)為它是世界上最快的東西，那用什么方法證明它是最快的？”方少波問(wèn)。

他表示，除非有一個(gè)更快的“快門(mén)”，能定量地測(cè)出來(lái)阿秒脈沖的“快門(mén)”究竟有多快。

方少波介紹，1987年，安妮就做了高次諧波的實(shí)驗(yàn)，奠定了阿秒脈沖的基礎(chǔ)。但高次諧波當(dāng)時(shí)只能帶來(lái)阿秒脈沖串。

“你可以把阿秒脈沖串簡(jiǎn)單想象成一串子彈，每個(gè)子彈都有自己的顏色，紅橙黃綠藍(lán)靛紫。但人們需要的可能只是一顆極紫外的子彈。”方少波表示，精準(zhǔn)測(cè)量想用的是“一發(fā)子彈”——孤立阿秒脈沖，而非一串。這相當(dāng)于要在一連串機(jī)關(guān)槍射出的子彈里面挑出來(lái)一個(gè)，難度很大。皮埃爾·阿戈斯蒂尼和費(fèi)倫茨·克勞斯都在2001年時(shí)分別發(fā)表了重要論文，完成了阿秒脈沖的產(chǎn)生和測(cè)量，“而且用的是不同的測(cè)量技術(shù)。此后，大家有了共識(shí)，人類的光學(xué)技術(shù)進(jìn)入到阿秒時(shí)代”。

等了至少20年，阿秒脈沖領(lǐng)域的研究者才收獲第一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

方少波表示，阿秒脈沖此前不是熱門(mén)領(lǐng)域。首先，當(dāng)時(shí)高次諧波的產(chǎn)生效率非常低，很多人甚至認(rèn)為這是個(gè)笨方法，覺(jué)得浪費(fèi)了大量的能量才得到了那么一點(diǎn)點(diǎn)光脈沖，是“大力出奇跡”而已，因此不被很多人看好；第二個(gè)原因是高次諧波的產(chǎn)生需要用到一個(gè)短脈沖的飛秒激光器。在那個(gè)年代，這樣的激光器不是很多實(shí)驗(yàn)室都有。目前產(chǎn)生孤立阿秒脈沖的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟了。但還有一個(gè)問(wèn)題沒(méi)有克服：如何提高它的光強(qiáng)度或產(chǎn)生效率？

諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)介紹稱，1987年，安妮發(fā)現(xiàn)，當(dāng)她通過(guò)惰性氣體傳輸紅外激光時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多不同的光的“泛音”。每個(gè)“泛音”都是一個(gè)光波。它們是由激光與氣體中的原子相互作用引起的。電子獲得額外的能量，然后以光的形式發(fā)射出來(lái)。安妮繼續(xù)探索這一現(xiàn)象，為后續(xù)的突破奠定了基礎(chǔ)。

1994年，阿戈斯蒂尼及其合作者研究了雙色光子場(chǎng)中的頻率調(diào)制原理。這一原理后來(lái)發(fā)展成為RABBIT（通過(guò)雙光子躍遷干涉重建阿秒跳動(dòng)）的計(jì)量技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)將XUV（極紫外）脈沖和來(lái)自驅(qū)動(dòng)激光器的光聚焦到稀有氣體靶上，并分析從靶上產(chǎn)生的光電子，從而測(cè)量一連串阿秒脈沖的持續(xù)時(shí)間。

2001年，皮埃爾·阿戈斯蒂尼成功產(chǎn)生并研究了一系列連續(xù)的光脈沖，其中每個(gè)脈沖僅持續(xù)250阿秒。與此同時(shí)，費(fèi)倫茨·克勞斯正在進(jìn)行另一種類型的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)可以分離出持續(xù)650阿秒的單個(gè)光脈沖。

兩束激光被用于產(chǎn)生阿秒脈沖和觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。圖：Johan Jarnestad

阿秒脈沖技術(shù)使得我們對(duì)以前無(wú)法追蹤的快速過(guò)程，比如電子移動(dòng)，或者能量的快速轉(zhuǎn)移的研究成為可能。這為研究原子、分子和凝聚態(tài)物質(zhì)中的電子動(dòng)力學(xué)打開(kāi)了一扇窗。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席伊娃·奧爾森 (Eva Olsson) 稱，“我們現(xiàn)在能打開(kāi)電子世界的大門(mén)了。阿秒物理學(xué)使我們有機(jī)會(huì)了解電子控制的機(jī)制，下一步將是利用它們?！?/p>

應(yīng)用于超高靈敏度檢測(cè)，或沖擊下一個(gè)諾獎(jiǎng)？

阿秒脈沖在材料科學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域都有應(yīng)用潛力。

方少波介紹，三位獲獎(jiǎng)?wù)咦钅贻p的費(fèi)倫茨·克勞斯，在做了阿秒脈沖的基礎(chǔ)研究之后，把重心放到了血液檢測(cè)上。他希望把對(duì)阿秒脈沖的計(jì)量方法拓展到血液檢測(cè)中，希望帶來(lái)一種超高靈敏度的檢測(cè)技術(shù)。他做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)：把一杯糖水的濃度不斷稀釋，稀釋到現(xiàn)有所有商用檢測(cè)手段都檢測(cè)不出濃度后，再把它稀釋1000倍，然后用費(fèi)倫茨·克勞斯的方法還能檢測(cè)出其含糖量。

2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、德國(guó)馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所教授費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）。

費(fèi)倫茨·克勞斯于1962年5月17日出生在匈牙利。

諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)介紹稱，費(fèi)倫茨·克勞斯研究組已經(jīng)邁出了生物應(yīng)用的第一步。通過(guò)將寬帶光學(xué)、超快激光源和精確的飛秒-阿秒場(chǎng)解析技術(shù)相結(jié)合，克勞斯研究組開(kāi)發(fā)出了光電場(chǎng)分子指紋技術(shù)，可以檢測(cè)生物流體分子成分的變化。這有望成為一種新的體外診斷分析技術(shù)，用于檢測(cè)血液樣本中痕量的疾病特征分子。它的最大優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)監(jiān)測(cè)許多分子，而且輻射是非電離的，因此不會(huì)對(duì)人體造成傷害。

方少波表示，通俗地解釋這種檢測(cè)的原理，它實(shí)際上是對(duì)整個(gè)光場(chǎng)進(jìn)行精確地掃描或檢測(cè)，對(duì)相關(guān)光子的相位進(jìn)行確認(rèn)?！懊總€(gè)分子對(duì)它都有不同的振動(dòng)頻率”，如同分子指紋，所以這種方法可以在血液中檢測(cè)非常多種類的分子。

有評(píng)論稱，如果這種分子檢測(cè)新方法獲得成功應(yīng)用，克勞斯甚至可能獲得第二個(gè)諾獎(jiǎng)。

方少波表示，目前，阿秒脈沖技術(shù)還需要更多學(xué)科的擴(kuò)展和應(yīng)用。我國(guó)在阿秒科學(xué)領(lǐng)域也有布局，從國(guó)家層面到中國(guó)科學(xué)院層面，都給予了關(guān)注和支持。中國(guó)科學(xué)院在青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃中專門(mén)針對(duì)原子尺度阿秒超快動(dòng)力學(xué)以及阿秒科學(xué)與技術(shù)等研究項(xiàng)目給予了穩(wěn)定支持。

據(jù)中國(guó)科學(xué)院物理研究所微信公眾號(hào)消息，2013年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所魏志義課題組實(shí)現(xiàn)了160阿秒孤立阿秒脈沖測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這是我國(guó)在阿秒科學(xué)領(lǐng)域的重大突破。隨后，華中科技大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所的研究團(tuán)隊(duì)也先后實(shí)現(xiàn)了阿秒脈沖的產(chǎn)生和測(cè)量。

2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者：美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)名譽(yù)教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini，左）、德國(guó)馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所教授費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz，中）和瑞典隆德大學(xué)教授安妮·勒惠利爾（Anne L’Huillier，右）。

來(lái)源：澎湃新聞 記者 吳躍偉

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