捕捉稍縱即逝的瞬間
——2023年諾貝爾物理學獎解讀

◆蘭從古 席澤華

2023 年10 月3 日，瑞典皇家科學院鄭重宣布，將2023 年諾貝爾物理學獎授予美國俄亥俄州立大學的皮埃爾·阿戈斯蒂尼、德國馬克斯普朗克量子光學研究所的費倫茨·克勞斯和瑞典隆德大學的安妮·勒惠利爾，以表彰他們對研發阿秒脈沖激光技術作出的杰出貢獻。這項技術為了解物質內部的微觀動態提供了視覺上的“火眼金睛”。

圖1 2023 年諾貝爾物理學獎得主——左起：皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費倫茨·克勞斯、安妮·勒惠利爾（圖/諾貝爾獎委員會官網）

什么是阿秒脈沖激光

阿托秒（as）又稱阿秒，是人類掌握的最小時間分辨尺度。1 阿秒表示百億億分之一秒，相當于1 秒鐘與宇宙年齡138 億年的大小差別。更貼切地來形容——光在真空中1 秒鐘能傳播30 萬千米，1 阿秒只能傳播0.3納米?？梢? 阿秒是多么短暫。

激光可分為連續激光和脈沖激光。1 阿秒或幾十甚至幾百阿秒閃爍一次的脈沖激光，稱為阿秒脈沖激光；飛秒（fs）也稱毫微微秒，1飛秒（1000 as）或幾十甚至幾百飛秒閃爍一次的脈沖激光，稱為飛秒脈沖激光。顯然，無論是飛秒脈沖激光還是阿秒脈沖激光，其閃爍速度都快得驚人。

2001 年，皮埃爾?阿戈斯蒂尼及其法國同事，通過實驗成功獲取了一系列閃爍的激光。他們使用特殊的技術，測得激光每次閃爍停頓時間為250 阿秒，也就是250 阿秒的脈沖激光。與此同時，費倫茨?克勞斯和他的奧地利伙伴們，研究出一種可以選擇單個脈沖的技術，借此從其他光線中成功隔離出650 阿秒脈沖激光。

阿秒脈沖激光“現形”

為便于理解，我們首先需要明白兩個道理：一是包括激光在內的一切光線，表現為交替變換的電場和磁場，兩種統稱為光場。光的傳播伴隨光場的交替變換，其變換一次的時間稱為光的波動周期。二是構成物質的原子內部，原子核吸引電子繞其旋轉，一旦電子獲得能量，便會到處亂竄，甚至脫離原子核的吸引，當返回原位時會放出光子，即一絲光。

氣體原子受高能飛秒脈沖激光照射，內部電子吸收了激光的能量變得十分活躍，從而掙脫原子核的束縛，成為行動自由的“流浪兒”。這種流浪電子受到激光的光場作用飛離原子，又隨激光光場方向的改變飛回原子。在復歸原位時，將原本吸收的激光能量以高能光子的形式釋放，這些被釋放的光子間存在極短的間隔，形成阿秒脈沖激光。

這個過程屬于物理學上的高次諧波效應。舉例來說，如果把石頭看作飛秒脈沖激光，把湖面看成氣體原子，濺起的水花相當于電子，石頭砸入水面濺起的水花形成層層漣漪，從特定角度看，水紋交替隆起又迅速消失。如此，石頭對水面振蕩一次激起千層波浪，相當于閃爍較慢的飛秒脈沖激光引發快速閃爍的阿秒脈沖激光。

助力探察微觀世界

阿秒脈沖激光技術是一種新的探察原子或分子內部微觀世界的工具，為探索電子世界打開了大門。

然而，如何運用阿秒脈沖激光技術完美捕捉稍縱即逝的目標的清晰圖像呢？電影中能與光并肩奔跑的閃電俠，人們用肉眼根本無法看清他的動作，但如果我們的速度與閃電俠一致，或許就能清晰地看到他的一舉一動。分子或原子內部的電子運動速度同樣驚人，其位置、分布和路徑等變化都以飛秒或阿秒級進行，傳統儀器自然無法將其觀察仔細。借助阿秒脈沖激光技術，觀察時就如同擁有了與瞬間變化同樣之快的“魔力”。

圖3 高速相機拍攝的子彈穿透玻璃的圖像（圖/圖蟲創意）

具體來說，利用阿秒脈沖激光技術可測量電子脫離原子和回歸原子的速度和路線。例如：化學反應是電子在不同原子之間轉移的過程，然而電子如何轉移？轉移到新的地方又呈怎樣的分布？人類借助阿秒脈沖激光技術就能認清和控制化學反應，為開發新材料、新技術提供重要依據。當光子沖擊某個原子時，內部電子如何離開原子核？剩下的電子和原子核之間如何相互作用？我們也可以使用同樣的方法探明這些問題，便于重新排列物質內部電子的分布，有望在醫學和研發新材料領域“大顯身手”。

該類研究在我國的發展

2013 年，中國科學院物理研究所魏志義課題組成功實現了160 孤立阿秒脈沖測量實驗結果，取得了這一領域的重大突破。2020 年，華中科技大學、國防科技大學和中國科學院西安光學精密機械研究所等研究團隊，也先后實現了阿秒脈沖激光的獲取和測量。

近年來，我國開始大規模開展有關阿秒脈沖激光設施設備的建設。如中國科學院物理研究所在東莞松山湖的阿秒科學中心、西安光機所阿秒科學與技術研究中心，以及北京懷柔綜合極端條件實驗平臺的百阿秒裝置?？蒲腥藛T依托這些科研平臺，取得了豐碩成果。目前，我國阿秒脈沖激光大概為70 阿秒的量級。

阿秒脈沖激光技術為探索自然、了解世界打開了另一扇窗。未來，這項技術或將在更多領域發揮更大作用。