捕獲阿秒的秘密

樊曉武

瑞典皇家科學院宣布，將2023年諾貝爾物理學獎授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費倫茨·克勞斯和安妮·呂利耶，以表彰他們將產生阿秒光脈沖的實驗方法用于研究物質的電子動力學，為人類探索原子和分子內的電子世界提供了新工具。

阿戈斯蒂尼是美國俄亥俄州立大學教授；克勞斯是德國馬克斯·普朗克量子光學研究所主任和德國慕尼黑大學教授；呂利耶是瑞典隆德大學教授。

一只蜂鳥可以每秒可以拍打80次翅膀，而這時人眼已經完全看不清蜂鳥的翅膀了。

人類可以借助高速攝影機來捕捉肉眼無法追蹤的現象和細節。動作越快，就要求照片的快門速度越高，這樣才能捕捉到瞬間的畫面。

如果我們把目光放到原子層面，就會發現，原子的運動速度快得令人難以置信。在分子里，原子會以千萬億分之一秒（10-15秒，也就是飛秒）的單位移動和轉動。

然而，如果再把視角放在原子內部的電子上，飛秒已經無法追上電子的運動。在飛秒尺度上，電子運動看上去模糊不清——電子的移動和變化速度在1到幾百阿秒之間。1阿秒=10-18秒，這是什么概念？

1秒里包含的阿秒數，就相當于整個宇宙年齡（1018秒）包含的秒數！

那么，如何捕捉阿秒的蹤跡？這就需要借助激光脈沖技術。

光由波組成，波即是電場和磁場中的振動，光在真空中的移動速度比其他任何東西都快，不同波長的光表現出不同的顏色，例如：紅光的波長為700納米，寬度相當于頭發絲的1/100。

在以前，普通激光的波長無法低于飛秒，飛秒被認為是激光脈沖的極限。然而，科學家并不滿足于此。

只要使用足夠多的大小、波長和振幅，就能形成任何波形?？梢酝ㄟ^組合更多更短的波長來制造更短的脈沖。要在原子尺度上觀測電子運動，需要足夠短的光脈沖，這意味著需要將許多不同波長的短波組合在一起。

1987年，安妮？呂利耶做了一個有趣的實驗。她用飛秒激光去照射一些稀有氣體，結果發現這些氣體會發出很多不同顏色的光。她發現，飛秒激光經過原子內部時，可以把氣體里的電子推來推去，就像玩玻璃球一樣。當激光通過后，電子就會回到原來的位置，同時把剛才獲得的能量以光的形式放出來。激光通過時對電子“撥動”的程度不同，會使得這些諧波光的波長各有不同。

這個發現讓科學家們很興奮。如果把這些諧波光組合疊加起來，就可以產生變量和變暗交替的效果，就像相機里的快門一樣。這樣，他們就可以用這種光脈沖去觀察電子的運動。

然而，從理論設想到實驗成功有相當長的時間。直到2001年，皮埃爾·阿戈斯蒂尼和他的法國研究小組成功地制造并研究了一系列連續的光脈沖，就像一列有車廂的火車。他們使用了一些特殊的裝置和技術，將“脈沖列車”與原始激光脈沖的延遲部分放在一起，以觀察泛音如何彼此組合。他們還測量了“脈沖列車”中脈沖的持續時間，成功產生了持續250阿秒的脈沖光，相當于實現了四千萬億分之一秒的快門速度！

與此同時，奧地利的費倫茨·克勞茲和他的研究小組研究了一種可以實現單個脈沖的技術，就像一節車廂從火車上脫鉤并切換到另一條軌道上。他們成功分離出的脈沖持續 650 阿秒的脈沖光。

我國科學家也非常重視阿秒光脈沖的研究。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。

現在，人們已經可以進入阿秒世界，這些短脈沖光可以用來研究電子的運動。今天科學家們可以產生低至幾十阿秒的光脈沖，而且這種技術還在不斷發展。

通過阿秒脈沖，可以測量電子被拉離原子所需的時間，并研究電子被拉離原子所需時間和電子與原子核結合的緊密程度的關系。當前，阿秒脈沖技術已被用于探索原子和分子的詳細物理過程，并有望應用于凝聚態物理、原子分子物理、化學、生物醫學、信息、能源等領域。