捕捉最短的瞬间，超越测量速度的极限，阿秒光脉冲领域问鼎诺奖

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）、匈牙利-奥地利物理学家费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大学教授安妮·吕利耶（Anne L’Huillier），以表彰他们将产生阿秒光脉冲的实验方法用于研究物质中电子动力学。

今年诺贝尔奖的奖金增加了100万瑞典克朗（约合65万元人民币），达到1100万瑞典克朗（约合715万元人民币），三位科学家将共享这1100万瑞典克朗。

获奖人员简介

▲皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）

皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）是法裔美国实验物理学家，因发明了用于表征阿秒光脉冲的 RABBITT（通过双光子跃迁干涉重建阿秒跳动）技术而闻名。

▲安妮·吕利耶（Anne L’Huillier）

安妮·吕利耶（Anne L’Huillier）1958年生于巴黎，现为隆德大学原子物理学教授。她在法国萨克莱核研究中心取得实验物理学博士学位。从1986年起，开始在萨克莱核研究中心正式工作。2021年，安妮•吕利耶因“在超快激光科学和阿秒物理方面的开创性工作，实现和理解高谐波产生并将其应用于原子和分子中电子运动的时间分辨成像”而被授予美国光学学会马克斯·伯恩奖。在2022年，她除了获得了沃尔夫物理奖以外，还被授予BBVA基金会基础科学知识前沿奖。

▲费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）

费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）于1962年出生于匈牙利，是匈牙利-奥地利物理学家，现在就职于维也纳技术大学、马克斯普朗克量子光学研究所、以及路德维希马克西米利安大学等机构。2001年，他的研究团队产生并测量了第一个阿秒光脉冲，并用它来捕捉原子内部电子的运动，标志着阿秒物理的诞生。费伦茨·克劳斯及其团队对飞秒脉冲波形进行控制并由此产生的可重复的阿秒脉冲，从而建立阿秒测量技术，是当今实验阿秒物理的技术基础。

什么是阿秒？

今年的获奖者在实验中创造了足够短的闪光，可以拍摄极快的电子运动的快照。安妮·吕利耶发现了激光与气体中原子相互作用的新效应。皮埃尔·阿戈斯蒂尼和费伦茨·克劳斯证明，这种效应可以用来产生比以前更短的光脉冲。

一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次，然而在我们看来，只能感觉到嗡嗡的声音和模糊的翅膀动作。对于人类的感官来说，快速的运动会变得模糊，而那些极短的事件则无法观测到——我们需要依靠特别的技术来捕捉或描绘这些非常短暂的瞬间。借助高速摄影和闪光灯，我们得以捕捉到那些转瞬即逝的现象的具体形貌。如果想要拍摄到飞行中蜂鸟的高清照片，那么就需要曝光时间比蜂鸟的单次振翅还要短得多。如果要捕捉到越快的事件，需要的拍摄速度也越快。

同样的原理适用于所有用于测量或描述快速运动过程的方法：任何测量都必须比目标系统发生明显变化的时间更快，否则就只能得到模糊的结果。今年的诺贝尔物理学奖获奖者在实验中展示了一种产生光脉冲的方法，这种脉冲足够短，足以捕获原子和分子内部过程的图像。

原子的自然时间尺度非常短。在分子中，原子可以在千万亿分之一秒（飞秒）内移动和旋转，这些运动可以用激光产生的极短脉冲来研究。但当整个原子运动时，时间尺度是由它们大而重的原子核决定的，与轻而灵活的电子相比，原子核的速度极其缓慢。当电子在原子或分子内部移动时，它们的移动速度非常快，以至于在飞秒尺度下都无法清晰描述了。在电子世界中，位置和能量以一到几百阿秒的速度变化，而阿秒是10^-18秒。一阿秒非常短，一秒钟内的阿秒数与138亿年前宇宙诞生以来所经过的秒数相同。举一个离我们生活更近的例子，我们可以想象一束光从房间的一端发射到对面的墙壁——这需要100亿阿秒。

一直以来，飞秒被认为是可以产生的闪光的极限。只是改进现有技术还不足以看到电子在极其短暂的时间尺度上运动的过程——科学家需要一些全新的东西。而今年的获奖者开辟了阿秒物理学的全新领域。

什么是阿秒脉冲激光？

根据发光持续时间的长短，激光一般被分类为连续激光和脉冲激光。连续激光能够在长时间内产生激光但输出的功率较低。脉冲激光工作方式是在一个个间隔的小时间段内发射光脉冲，其峰值功率很高。从20世纪激光诞生开始到其后的80年代，脉冲激光的单个脉冲时间可以达到皮秒量级。随着激光技术的不断发展，激光的脉冲宽度也在不断缩小。

▲不同运动过程的时间尺度

如何将脉冲光压缩到阿秒量级？在傅里叶变换中，时域的一个脉冲越窄，它在频域空间的带宽就越大。也就是说，如果我们能产生足够大带宽，相位锁定的相干光，它天然的就是超短脉冲。根据能量和时间的不确定关系，当连续谱频率宽度达到4eV以上时，我们就可以获得阿秒脉冲了。刚好，高次谐波产生就能提供这样的一个宽频带的相干光源。

目前阿秒脉冲激光主要是由飞秒（10^-15秒）激光（也称超快超强激光）作用于惰性气体而产生的高次谐波所形成的。高次谐波产生（high harmonic generation，HHG）是一种极端的非线性效应，强场激光聚焦到气体介质上的时候，会发生非线性效应，可以得到上百阶的高能谐波光子。作为一种相干的宽谱高能光源，它可以用来产生阿秒脉冲（10^-18s）。

▲瞬时功率(peak intensity)高达10^14 W/cm^2的飞秒脉冲与惰性稀有气体相互作用，可产生高次谐波HHG的过程

为了更直观理解气体高次谐波产生的物理机制，引入半经典三步模型。半经典三步模型：第一步为隧穿电离，强激光场使气体原子的库伦势发生倾斜，电子能够通过隧道电离方式逃离原子核的束缚，进入连续态；第二步是强场加速，进入连续态的电子则在外加激光电场力的驱动下加速运动，下进行加速运动，从而积累一定的动能；第三步是复合发光，加速运动的电子会在某些时刻以一定概率再回到电离的原子核附近与之发生复合，在复合过程中电子会将其在激光电场中运动累积的动能进行释放，也即将动能转化为高次谐波光子的能量。

▲利用高次谐波产生阿秒脉冲激光过程

电子在激光场不同时刻电离后，在光场中飞行获得的能量不同，最终复合时释放的能量也不同，因此产生覆盖较宽的光谱，形成一个极紫外脉冲。该三步过程在飞秒驱动激光每半个周期发生一次，形成一个等时间间距的极紫外脉冲序列，并在频域发生干涉而形成梳齿状的分立HHG光谱。

按照谐波级次强弱变化分类，其频谱可分为3个部分：微扰区，区内高次谐波的级次较低，谐波效率随着级次的提升而快速下降；平台区，谐波光谱的中部，各级次强度相差不大；截止区，该区域的谐波级次较高，效率也随着级次的提升而下降，也有可能是没有干涉的连续光谱。

HHG在驱动飞秒激光(有时也称为基频光)的每半个光周期产生一次，辐射出的极紫外脉冲宽度小于半个光周期，达到亚飞秒即阿秒量级。频域中梳齿状的HHG谱在时域上对应一个阿秒脉冲序列，或称阿秒脉冲串。利用飞秒脉冲作为驱动源，并采用相应的选通(gating)方法，就可以从HHG的阿秒脉冲序列中选出一个脉冲，称为孤立阿秒脉冲；其与驱动脉冲重复频率相同，且精确同步。

阿秒激光的发展现状阿秒脉冲激光的出现被认为是激光科学历史上最重要的里程碑之一。

从20世纪60年代第一道激光诞生开始，随着技术的不断发展，激光的脉冲宽度也在不断缩小：1981年，科学家采用锁模技术将脉冲激光的脉冲宽度缩小到了＜100fs。2001年，由本次诺奖获得者之一、彼时在奥地利维也纳技术大学的费伦茨·克劳兹教授领导的研究小组，首次在实验中获得了脉宽650阿秒激光；2006年，来自美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家利用级联自由电子激光器产生的飞秒激光脉冲激发惰性气体，产生了脉宽为100阿秒超短激光脉冲；2012年，美国中佛罗里达大学研究团队成功将飞秒激光脉冲激发氖气形成高次谐波，获得了67阿秒的超短激光脉冲；2017年，瑞士苏黎世联邦理工学院科学家们又进一步将脉冲时间缩短到了43阿秒……

值得注意的是，2013年，我国中科院物理所研究小组使用3.8飞秒的驱动脉冲获得了160阿秒的孤立脉冲，成为我国阿秒脉冲的唯一实验结果。

打开新视野，应用潜力无限

阿秒光脉冲技术的出现为多领域科学研究提供了全新的视角，帮助人类在X射线、自由电子激光、可控高温超导等诸多领域取得了重大的新突破。人类可以用阿秒脉冲去跟踪化学反应中的电子，去了解甚至操控反应的进程；可以仔细观察光电池和纳米结构中的电子，寻找更高效的太阳能电池和更结实的纳米纤维；可以用阿秒激光度量超导体中的电子对，去寻找揭开超导秘密的钥匙。

以电子振荡技术为例，2013年，德国马普光学研究所阿秒物理实验室发现，超高峰值功率的超短激光脉冲可以改变绝缘材料电特性，在绝缘体中引发超快振荡的电场和电流，电场和电流的振荡与入射激光的“开”与“关”直接相关，进而说明绝缘体导电性的转换是在阿秒级时间内完成的。换而言之，该实验证明，材料的基本导电特性能够以光场的振荡速度来增加或减小。

如果人类能够拥有一把阿秒激光“镊子”，那么，储存和操作量子计算机中的电子和光子就可能梦想成真，类似的一把“镊子”也可以用来分析DNA和蛋白质的结构和行为，或是把药物放进生病的细胞，那么癌症和其他的疑难杂症就有可能被治愈……换而言之，阿秒光学会逐渐拓展到阿秒物理学、阿秒化学、阿秒电子学等等。

如今，阿秒光脉冲技术已成为物理、化学、生物等多学科中重要的研究手段。鉴于其巨大的潜在应用价值，美国、欧洲、日本等国已将阿秒激光技术列为未来10年激光科学发展最重要的发展方向之一。

整理/记者 刘大珩 王雪莹

来源：“环球科学”公众号、“中科院物理所”公众号、“焊接之家“公众号、澎湃新闻、返朴等