超快科学助力阿秒时代

阿秒，目前人类掌握的最小时间分辨尺度。阿秒级的运动不管你如何盯着看，都无法看到它，因为它的持续时间实在太短了，只有百亿分之一秒。决定物质基本性质的超快电子运动通常发生在阿秒量级的时间尺度，要想观测到电子运动这种超快过程，就需要超高速摄影技术，而阿秒光源就是一种捕捉电子运动的超快光学技术。人眼的视觉暂留时间一般为0.1—0.4秒，当物体的快速运动过程短于0.1秒时，受眼睛时间分辨率的限制，我们就无法看清其运动过程。就像高速摄像机把转瞬即逝的快速变化过程记录下来，我们用慢动作回看一样。对于原子内部的电子運动，我们也需要一个超高速相机将其记录下来。2001年，奥地利科学家首次实现了阿秒脉冲的产生，使人类能够深入原子结构内部观测并记录电子运动，超快科学及技术的发展迎来了阿秒时代。阿秒脉冲就是持续时间在阿秒量级的超短闪光，而阿秒光源是集阿秒脉冲产生、测量及应用于一体的大型科学装置。如果把阿秒光源比作一台相机，那么阿秒脉冲就是这个相机的“快门”。作为20世纪初诞生的一种新型光源，阿秒光源具有宽频谱、窄脉宽、高光子能量、高时空相干性等优点，由于其脉宽与原子内电子运动尺度相当，因此为人类认识微观世界提供了全新手段。

“阿秒光源为物理、化学、生物和材料科学超快过程的研究和高时空分辨率成像提供了崭新的技术，为了解化学反应和人工光合作用、生物结构特性及生命机理、新材料合成等重大科学问题提供了解决方法，并有望引发新的科技革命。如发展新一代超高速电子器件和信息处理技术、提升太阳能电池转换效率和揭示肿瘤病变机理等。”中国科学院西安光学精密机械研究所研究员赵卫说道。经过近20年的发展，人们已经成功将阿秒技术应用于原子、分子、纳米体系甚至固体中超快电子运动的测量和调控研究，为诸多潜在应用开辟了崭新的道路。比如，在生物医学领域，癌症作为世纪难题，当前普遍认为其诱因是紫外线辐射导致的DNA损伤，但受限于现有的技术手段，该推论无法得到确认。DNA分子由原子构成，而原子又包含电子和原子核，借助阿秒脉冲，科学家就有可能在更微观、更基础的层面上看清DNA损伤内在的电子运动过程，理清紫外线辐射导致的DNA损伤与肿瘤癌变的生理关联，这无疑将癌变的预防、诊断及治疗更加确切。正因为阿秒光源所具有的重大应用前景，目前，美国、加拿大、韩国、日本、澳大利亚、新加坡及欧洲诸国都将阿秒科学作为重点的基础与应用研究内容，欧盟在匈牙利塞格德建造的极端光设施阿秒光源已于2019年7月初宣布开放运行，韩国浦项阿秒光源也已立项实施。“我国科学家也紧跟国际超快科学前沿，早在2000年前后就开始了阿秒科学与技术的探索与研究，并取得了有国际影响的系列重要成果。”中国科学院物理研究所研究员魏志义说道。