超快科學助力阿秒時代

阿秒，目前人類掌握的最小時間分辨尺度。阿秒級的運動不管你如何盯著看，都無法看到它，因為它的持續時間實在太短了，只有百億分之一秒。決定物質基本性質的超快電子運動通常發生在阿秒量級的時間尺度，要想觀測到電子運動這種超快過程，就需要超高速攝影技術，而阿秒光源就是一種捕捉電子運動的超快光學技術。人眼的視覺暫留時間一般為0.1—0.4秒，當物體的快速運動過程短于0.1秒時，受眼睛時間分辨率的限制，我們就無法看清其運動過程。就像高速攝像機把轉瞬即逝的快速變化過程記錄下來，我們用慢動作回看一樣。對于原子內部的電子運動，我們也需要一個超高速相機將其記錄下來。2001年，奧地利科學家首次實現了阿秒脈沖的產生，使人類能夠深入原子結構內部觀測并記錄電子運動，超快科學及技術的發展迎來了阿秒時代。阿秒脈沖就是持續時間在阿秒量級的超短閃光，而阿秒光源是集阿秒脈沖產生、測量及應用于一體的大型科學裝置。如果把阿秒光源比作一臺相機，那么阿秒脈沖就是這個相機的“快門”。作為20世紀初誕生的一種新型光源，阿秒光源具有寬頻譜、窄脈寬、高光子能量、高時空相干性等優點，由于其脈寬與原子內電子運動尺度相當，因此為人類認識微觀世界提供了全新手段。

“阿秒光源為物理、化學、生物和材料科學超快過程的研究和高時空分辨率成像提供了嶄新的技術，為了解化學反應和人工光合作用、生物結構特性及生命機理、新材料合成等重大科學問題提供了解決方法，并有望引發新的科技革命。如發展新一代超高速電子器件和信息處理技術、提升太陽能電池轉換效率和揭示腫瘤病變機理等。”中國科學院西安光學精密機械研究所研究員趙衛說道。經過近20年的發展，人們已經成功將阿秒技術應用于原子、分子、納米體系甚至固體中超快電子運動的測量和調控研究，為諸多潛在應用開辟了嶄新的道路。比如，在生物醫學領域，癌癥作為世紀難題，當前普遍認為其誘因是紫外線輻射導致的DNA損傷，但受限于現有的技術手段，該推論無法得到確認。DNA分子由原子構成，而原子又包含電子和原子核，借助阿秒脈沖，科學家就有可能在更微觀、更基礎的層面上看清DNA損傷內在的電子運動過程，理清紫外線輻射導致的DNA損傷與腫瘤癌變的生理關聯，這無疑將癌變的預防、診斷及治療更加確切。正因為阿秒光源所具有的重大應用前景，目前，美國、加拿大、韓國、日本、澳大利亞、新加坡及歐洲諸國都將阿秒科學作為重點的基礎與應用研究內容，歐盟在匈牙利塞格德建造的極端光設施阿秒光源已于2019年7月初宣布開放運行，韓國浦項阿秒光源也已立項實施。“我國科學家也緊跟國際超快科學前沿，早在2000年前后就開始了阿秒科學與技術的探索與研究，并取得了有國際影響的系列重要成果。”中國科學院物理研究所研究員魏志義說道。