瑞典隆德大學教授安妮·勒惠利爾（Anne L’Huillier）是第5位被授予諾貝爾物理學獎的女性。視頻截圖：隆德大學Nina Ransmyr

　　如果相機夠快，拍下來的都是“慢動作”。

　　蜂鳥每秒鐘可以拍打翅膀80次。人眼無法看清，但高速相機可以將其動作定格成一幀幀清晰的畫面。

　　24年前，1999年諾貝爾化學獎被授予使用當時世界上最快的“相機”的美國加州理工學院教授艾哈邁德·H·祖瓦伊勒（Ahmed H. Zewail）。他用飛秒鐳射看到反應過程中化學分子的過渡態。

　　而今，世界最快“相機”再次升級，速度加快千倍，從飛秒跨越到阿秒，“看到”分子中電子的運動，並斬獲2023年諾貝爾物理學獎。

　　阿秒光脈衝（簡稱“阿秒脈衝”）是一束極短促的閃光，提供了一開一關極快的相機“快門”，能夠“拍攝”到狂飆中的電子。

　　發明這種基礎科學的新工具、新技術的科學家們，將人類帶進了阿秒時代。

一秒鐘內的阿秒數與138億年前宇宙誕生以來所經過的秒數相同。圖：Johan Jarnestad

　　電子繞氫原子核一週大約需要150阿秒。

　　而目前阿秒脈衝的世界紀錄是43阿秒脈衝。

　　10月3日下午，中國科學院物理研究所副研究員、博士生導師方少波告訴澎湃科技，進一步增強阿秒脈衝，現在還存在技術難度。目前43阿秒脈衝的世界紀錄保持者、來自德國的托馬斯·高尼茨（Thomas Gaumnitz）在攻讀博士學位期間，因為忙於搭建阿秒脈衝光源，一直沒有發表論文，直到博士後階段才發表了第一篇研究論文。

　　上海理工大學光電資訊與電腦工程學院教授、博士生導師劉一向澎湃科技表示，2023年三位諾貝爾物理學獎得主中，他最熟悉的是安妮·勒惠利爾（Anne L’Huillier）。從2014年開始，雙方就空氣鐳射等相關課題展開闔作，先後在安妮實驗室進行過4次合作實驗。

　　劉一介紹，安妮出生在法國巴黎，在法國攻讀了博士學位。她溫和、內斂，言辭不多，但非常有智慧。她對葡萄酒很有研究，能夠分辨不同葡萄酒的年份。

　　安妮是第5位被授予諾貝爾物理學獎的女性。

　　劉一表示，脈衝更短，能量更高，重復頻率更高，這是阿秒脈衝領域內人們正在努力的三個維度。除了在泵浦鐳射、産生介質等方面進行改進外，他表示，普通實驗室用的聚焦透鏡是1米或2米長的，但在歐盟一些實驗室用的聚焦透鏡長達50米，就是為了産生更強的阿秒脈衝。

　　阿秒脈衝：最快的光？錯！

　　有人直觀上認為阿秒脈衝是最快的光，所以能追蹤飄忽運動的電子。

　　但實際上，在同一介質中，光速不變。

　　“更準確地説，是最短的，目前最短的光脈衝。”劉一告訴澎湃科技，用最短的光脈衝可以探索電子世界。但還有比阿秒更短的時間單位——仄秒（10^−21秒）、幺秒（10^−24秒）等, “人類對自然的探索無止境” 。

　　如果簡單地把電子看作是原子核周圍的“超級跑車”或者子彈，那麼阿秒脈衝如同開關很快的相機快門，可以將電子“拍攝”下來。

　　劉一表示，“好比子彈飛過去了，如果你相機的快門不夠快的話，你拍到的是一條線、一個影子，而非清晰的子彈。而阿秒脈衝提供了一個很快的‘快門’，曝光時間尺度很短。”

　　靜止是相對的。

　　方少波告訴澎湃科技，曝光時間之所以要短，是為了在快門一開一關之間，被拍攝對象幾乎相當於是靜止的，或者它移動的距離足夠短，否則很難定格清晰的瞬間。

　　北京時間3日17時50分許，瑞典皇家科學院宣佈，將2023年諾貝爾物理學獎授予發明瞭這種極短閃光技術的三名科學家——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·勒惠利爾（Anne L’Huillier），以表彰他們在“産生阿秒光脈衝以研究物質中電子動力學的實驗方法”方面所做出的貢獻。

　　阿秒是光脈衝的脈衝寬度。劉一解釋説，“脈衝寬度的概念沒那麼抽象。比如説鐳射筆。我們手指頭一按打開鐳射筆，再一放關掉鐳射筆，就産生了一個鐳射脈衝。脈衝寬度是脈衝持續的時間。假如有人能夠在1阿秒內一按一放鐳射筆，而且鐳射筆也有足夠快地響應的話，那麼也可以産生阿秒脈衝。可是，沒人能按得這麼快，鐳射筆也沒有那麼快響應。。”

　　飛秒鐳射卻可以“按得”這麼快。

　　1阿秒等於千分之一飛秒，相當於10⁻¹⁸秒。一秒鐘內的阿秒數與138億年前宇宙誕生以來所經過的秒數相同。一束光從房間裏一堵墻照射到另一堵墻，需要100億阿秒的時間。

　　用飛秒鐳射驅動氣體等介質，可以産生阿秒尺度的光脈衝。

飛秒鐳射作為驅動光，通過高次諧波過程産生極紫外或更短波長的阿秒相干輻射。圖：Johan Jarnestad

　　中國科學院物理研究所研究員魏志義等人2021年發表在中文學術期刊《物理》上的一篇論文表示，超快鐳射于20世紀80年代進入了飛秒鐳射時代。強場超快鐳射脈衝的一個重要用途是作為驅動光，通過高次諧波過程産生極紫外或更短波長的阿秒相干輻射。以氣體高次諧波為例，當惰性氣體與強場鐳射相互作用時，每個鐳射週期伴隨産生兩個阿秒脈衝。氣體高次諧波的三步模型認為，鐳射場將首先使氣體原子發生隧穿電離，釋放出的光電子在電場的作用下運動，加速後的光電子最終與母體離子複合，使原子回到初始的量子態，多餘的能量則以高能光子的形式釋放，即高次諧波。

　　冷門領域！36年前解決原理問題，20年前突破技術難題

　　“如果認為它是世界上最快的東西，那用什麼方法證明它是最快的？”方少波問。

　　他表示，除非有一個更快的“快門”，能定量地測出來阿秒脈衝的“快門”究竟有多快。

　　方少波介紹，1987年，安妮就做了高次諧波的實驗，奠定了阿秒脈衝的基礎。但高次諧波當時只能帶來阿秒脈衝串。

　　“你可以把阿秒脈衝串簡單想像成一串子彈，每個子彈都有自己的顏色，紅橙黃綠藍靛紫。但人們需要的可能只是一顆極紫外的子彈。”方少波表示，精準測量想用的是“一發子彈”——孤立阿秒脈衝，而非一串。這相當於要在一連串機關槍射出的子彈裏面挑出來一個，難度很大。皮埃爾·阿戈斯蒂尼和費倫茨·克勞斯都在2001年時分別發表了重要論文，完成了阿秒脈衝的産生和測量，“而且用的是不同的測量技術。此後，大家有了共識，人類的光學技術進入到阿秒時代”。

　　等了至少20年，阿秒脈衝領域的研究者才收穫第一個諾貝爾獎。

　　方少波表示，阿秒脈衝此前不是熱門領域。首先，當時高次諧波的産生效率非常低，很多人甚至認為這是個笨方法，覺得浪費了大量的能量才得到了那麼一點點光脈衝，是“大力出奇跡”而已，因此不被很多人看好；第二個原因是高次諧波的産生需要用到一個短脈衝的飛秒鐳射器。在那個年代，這樣的鐳射器不是很多實驗室都有。目前産生孤立阿秒脈衝的技術已經相對成熟了。但還有一個問題沒有克服：如何提高它的光強度或産生效率？

　　諾貝爾獎官網介紹稱，1987年，安妮發現，當她通過惰性氣體傳輸紅外鐳射時，會産生許多不同的光的“泛音”。每個“泛音”都是一個光波。它們是由鐳射與氣體中的原子相互作用引起的。電子獲得額外的能量，然後以光的形式發射出來。安妮繼續探索這一現象，為後續的突破奠定了基礎。

　　1994年，阿戈斯蒂尼及其合作者研究了雙色光子場中的頻率調製原理。這一原理後來發展成為RABBIT（通過雙光子躍遷干涉重建阿秒跳動）的計量技術。該技術通過將XUV（極紫外）脈沖和來自驅動鐳射器的光聚焦到稀有氣體靶上，並分析從靶上産生的光電子，從而測量一連串阿秒脈衝的持續時間。

　　2001年，皮埃爾·阿戈斯蒂尼成功産生並研究了一系列連續的光脈衝，其中每個脈衝僅持續250阿秒。與此同時，費倫茨·克勞斯正在進行另一種類型的實驗，該實驗可以分離出持續650阿秒的單個光脈衝。

兩束鐳射被用於産生阿秒脈沖和觀測實驗。圖：Johan Jarnestad

　　阿秒脈衝技術使得我們對以前無法追蹤的快速過程，比如電子移動，或者能量的快速轉移的研究成為可能。這為研究原子、分子和凝聚態物質中的電子動力學打開了一扇窗。

　　諾貝爾物理學委員會主席伊娃·奧爾森 (Eva Olsson) 稱，“我們現在能打開電子世界的大門了。阿秒物理學使我們有機會了解電子控制的機制，下一步將是利用它們。”

　　應用於超高靈敏度檢測，或衝擊下一個諾獎？

　　阿秒脈衝在材料科學和醫學診斷等領域都有應用潛力。

　　方少波介紹，三位獲獎者最年輕的費倫茨·克勞斯，在做了阿秒脈衝的基礎研究之後，把重心放到了血液檢測上。他希望把對阿秒脈衝的計量方法拓展到血液檢測中，希望帶來一種超高靈敏度的檢測技術。他做過一個實驗：把一杯糖水的濃度不斷稀釋，稀釋到現有所有商用檢測手段都檢測不出濃度後，再把它稀釋1000倍，然後用費倫茨·克勞斯的方法還能檢測出其含糖量。

2023年諾貝爾物理學獎得主、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）。

　　費倫茨·克勞斯于1962年5月17日出生在匈牙利。

　　諾貝爾獎官網介紹稱，費倫茨·克勞斯研究組已經邁出了生物應用的第一步。通過將寬頻光學、超快鐳射源和精確的飛秒-阿秒場解析技術相結合，克勞斯研究組開發出了光電場分子指紋技術，可以檢測生物流體分子成分的變化。這有望成為一種新的體外診斷分析技術，用於檢測血液樣本中痕量的疾病特徵分子。它的最大優點是可以同時監測許多分子，而且輻射是非電離的，因此不會對人體造成傷害。

　　方少波表示，通俗地解釋這種檢測的原理，它實際上是對整個光場進行精確地掃描或檢測，對相關光子的相位進行確認。“每個分子對它都有不同的振動頻率”，如同分子指紋，所以這種方法可以在血液中檢測非常多種類的分子。

　　有評論稱，如果這種分子檢測新方法獲得成功應用，克勞斯甚至可能獲得第二個諾獎。

　　方少波表示，目前，阿秒脈衝技術還需要更多學科的擴展和應用。我國在阿秒科學領域也有佈局，從國家層面到中國科學院層面，都給予了關注和支援。中國科學院在青年團隊計劃中專門針對原子尺度阿秒超快動力學以及阿秒科學與技術等研究項目給予了穩定支援。

　　據中國科學院物理研究所微信公眾號消息，2013年，中國科學院物理研究所魏志義課題組實現了160阿秒孤立阿秒脈衝測量實驗結果，這是我國在阿秒科學領域的重大突破。隨後，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的研究團隊也先後實現了阿秒脈衝的産生和測量。

2023年諾貝爾物理學獎獲得者：美國俄亥俄州立大學名譽教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini，左）、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，中）和瑞典隆德大學教授安妮·勒惠利爾（Anne L’Huillier，右）。

來源：澎湃新聞    | 撰稿：    | 責編：李斌    審核：張淵

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