2023年諾貝爾物理學獎：人類進入阿秒時代

龍海濤

2023年諾貝爾物理學獎授予了美國俄亥俄州立大學名譽教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德國馬克斯·普朗克量子光學研究所教授費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大學教授安妮·呂利耶（Anne LHuillier）。過去，想捕捉電子的移動是不可能實現的事情，然而，這三位物理學家發現了一種產生極短光脈沖的方法，可用于測量電子移動或改變能量的快速過程。瑞典皇家科學院指出，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”。什么是阿秒？阿秒技術將給我們的生活帶來哪些變化？

“阿秒”的誕生：讓人類看到更精微的世界

自然界里的各種物理過程，其運動的時間尺度是不同的。比如，人們用肉眼就可以清晰分辨出運動員劃水的過程；子彈擊穿蘋果的過程雖然無法用肉眼捕捉，但是可借助高速攝像機拍攝后以慢動作呈現。相比之下，自然界微觀世界的粒子運動更快，因此人類需要研制更細微、更精確的工具來觀察物質世界。

人類在對自然界瞬態過程的探索中，陸續達到了毫秒（10-3秒）、微秒（10-6秒）、納秒（10-9秒）、皮秒（10-12秒）和飛秒（10-15秒）的時間分辨。納秒、皮秒和飛秒量級的脈沖激光器相繼于1962年、1966年和1974年被研發出來。到了20世紀80年代，更低噪聲、更高穩定性且如今應用最廣泛的鈦藍寶石激光器問世。1999年，艾哈邁德·澤維爾因“用飛秒光譜學對化學反應過渡態的研究”獲得了諾貝爾化學獎。2018年諾貝爾物理學獎授予了超強超短激光的啁啾脈沖放大技術的發明者，啁啾脈沖放大技術是實現高強度飛秒激光脈沖的關鍵技術之一。

皮秒可以觀測到分子的運動，飛秒可以觀測到化學反應中原子的運動，如果要更進一步觀察電子以及原子核內的運動過程，就需要更小的時間單位。

這時候出現了一個新的時間單位—阿秒。阿秒是目前已知的最小的時間單位。阿秒有多短暫呢？1阿秒是10-18秒。1阿秒之于1秒，相當于1秒之于宇宙的年齡（138億年）。光1秒傳播的距離可以繞地球7.5圈，而光在1阿秒內只能從水分子的一端傳播到另一端。

阿秒光脈沖技術是人類目前所掌握的最快的時間尺度。相干光脈沖從皮秒進步到阿秒，不僅是時間尺度的簡單進步，更重要的是將人們研究物質結構的能力從分子、原子運動推進到了原子內部，可以對電子運動和關聯行為進行探測，從而可以引發基礎物理研究的重大革命。

三位科學家的貢獻

本次獲獎的三位科學家，將光脈沖寬度從皮秒精確到了阿秒量級。1987年，安妮·呂利耶發現，在紅外激光通過稀有氣體時，會產生許多不同的光的“泛音”。它們是由激光與氣體中的原子相互作用引起，這種作用給予一些電子額外的能量，然后以光的形式發射出來。隨后安妮·呂利耶繼續探索這一現象，為后續的突破奠定了基礎。2001年，皮埃爾·阿戈斯蒂尼成功地制造并研究了一系列連續的光脈沖，每個脈沖僅持續250阿秒。與此同時，費倫茨·克勞斯在另一種類型的實驗中成功分離出可持續650阿秒的單個光脈沖。

安妮·呂利耶

安妮·呂利耶1958年在巴黎出生，目前在瑞典隆德大學擔任原子物理學教授。1987年，她首次在實驗中觀測到了高次諧波現象，并在這次實驗后決定投入到這一研究領域。1992年，她參與安裝了歐洲第一個用于飛秒脈沖的鈦藍寶石固態激光器。2003年，她帶領團隊產生了170阿秒脈寬的脈沖激光，打破了世界紀錄。2021年，她因在超快激光科學和阿秒物理方面的開創性貢獻而被美國光學學會授予馬克斯·伯恩獎。2022年，呂利耶獲得了沃爾夫物理學獎，一年后，她成為諾貝爾物理學獎歷史上第五位女性獲獎者。

費倫茨·克勞斯

費倫茨·克勞斯是匈牙利裔奧地利人。2003年，他被任命為德國馬克斯·普朗克量子光學研究所所長，2004年成為德國慕尼黑大學的實驗物理學系主任。2006年，他與同事共同創建了慕尼黑先進光子學研究中心。他的主要研究領域是超短脈沖激光技術、高場物理、阿秒物理。早在20世紀90年代，克勞斯就對用激光產生超短光脈沖產生了濃厚的興趣。2001年，他帶領研究團隊產生并測量了第一個阿秒光脈沖，并用它來捕捉原子內部電子的運動，標志著阿秒物理的誕生。他還對飛秒脈沖波形進行控制，并由此產生可重復的阿秒脈沖，從而建立了阿秒測量技術。現在，他正在將飛秒激光技術作為阿秒測量技術的基礎，進一步開發應用于生物醫學的紅外光譜，用于篩查人類的早期疾病。

皮埃爾·阿戈斯蒂尼

皮埃爾·阿戈斯蒂尼是美國俄亥俄州立大學名譽教授，專注于激光與原子分子相互作用的研究。他于1968年獲得法國艾克斯-馬賽大學博士學位。1979年，阿戈斯蒂尼第一次發現了激光與原子作用時的多光子電離效應。2001年，他成功地制造并研究了一系列連續的光脈沖，每個脈沖僅持續250阿秒。阿戈斯蒂尼是第一批通過實驗制造出阿秒光脈沖的科學家之一。阿戈斯蒂尼的研究領域頗廣，包括高次諧波的產生、飛秒和亞次諧波的產生、激光與物質相互作用等。

我國首個阿秒激光裝置正在建設中

位于我國粵港澳大灣區的松山湖材料實驗室，正在規劃一臺阿秒激光裝置。該裝置具備高重復頻率、高光子能量、高通量及極短脈寬的超快相干輻射，并配備建設相應的應用研究平臺，建成后綜合指標有望實現國際領先。在我國，與阿秒激光相關的研究被納入國家重要發展方向，已經建成的相關實驗系統及正在規劃的科學裝置，將為阿秒動力學的研究提供重要的創新手段。

阿秒技術影響眾多領域

當今，在全世界的實驗室里，阿秒級設備和裝置越來越普及，正被科學家作為一種全新的測量工具來觀察和理解電子、原子和分子的運動過程。這對于醫學、材料科學、能源科學、物理、化學、電子學等領域的科研發展具有重要意義。

在醫學領域，阿秒相機可以幫助醫生對微觀病灶進行精確診斷和治療；阿秒光脈沖可以用于發現早期癌癥指標。

在材料科學領域，阿秒技術可以用來研究材料的微觀結構和性質，從而推動新型材料的發現和應用。

在能源科學領域，科學家可以通過阿秒技術提高能源利用效率并實現可持續發展。

在化學領域，基于阿秒光脈沖技術，科學家有望精確設計和控制化學反應的方向，減少副產物的產生。

在物理學領域，科學家可以通過阿秒光脈沖將絕緣物質變成導電物質。

在電子學領域，有朝一日科學家可以通過阿秒技術催生更強大的計算機芯片。阿秒技術可以用于實現更快速的量子計算。在量子計算中，量子比特之間的相互作用非常關鍵，而阿秒級別的計時可以更好地揭示這些相互作用。

此外，阿秒計時技術可以幫助科學家更精確地測量時間，進一步揭示物質和能量之間的相互作用。這對于基礎科學研究、精密計時、導航定位等領域具有重要意義。

總之，阿秒技術將為我們提供更深入、更精確的微觀世界的窗口，對很多領域產生深遠影響，并將改變我們的生活。正如諾貝爾物理學委員會主席伊娃·奧爾森所說：“我們現在可以打開電子世界的大門。阿秒物理學讓我們有機會了解控制電子的機制，下一步將是更好地利用它們。”

【責任編輯】蒲 暉