阿秒光脉冲，下一次技术革命？

看风景的蜗牛君

大家关注今年的诺贝尔奖了吗？北京时间2023年10月3日，瑞典皇家科学院宣布将2023年诺贝尔物理学奖授予美国俄亥俄州立大学名誉教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼（PierreAgostini）、匈牙利-奥地利物理学家费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大学教授安妮·呂利耶（Anne LHuillier），以表彰他们在阿秒光脉冲方面所做出的贡献。

虽然诺贝尔奖离我们科学少年还很遥远，但相信你也想知道，这个“阿秒光脉冲”究竟是什么高科技？又有什么用处？接下来我们就来揭开它的神秘面纱吧。

什么是阿秒光脉冲

首先，什么是“阿秒”？其实，“阿秒”是一个时间单位，但这个时间单位非常非常小，小到什么程度呢？钟表“嘀嗒”一下是1 秒，而把时间逐渐缩短，依次会有很多时间单位，如毫秒（10-3 秒）、微秒（10-6 秒）、纳秒（10-9 秒）、皮秒（10-12 秒）、飞秒（10-15 秒）、阿秒（10-18 秒）。反过来说，1 秒钟就等于1018 阿秒。你可能对1018 这个数值没有很直观的概念，给大家举个例子吧：宇宙诞生至今大概已经过去了138 亿年的时间，换算成秒也就是138 亿年×365 天/ 年×24 小时/ 天×60 分/ 小时×60 秒/ 分≈ 4.4×1017 秒。也就是说，1 阿秒之于1 秒钟，甚至比1 秒钟之于整个宇宙寿命还要短！

那什么是“阿秒光脉冲”呢？所谓的“阿秒光脉冲”，就是指持续时间（科学上叫作“脉冲宽度”，也可以简写为“脉宽”）在阿秒量级的光脉冲。有的同学可能会问，什么叫“光脉冲”？大家回忆一下，在生活中拍照的时候见过闪光灯吗？其实形象一点来说，“光脉冲”就是 “闪光灯”闪的那一下，它发出来的那个闪光就是光脉冲，只不过照相机闪光速度很慢，这个光脉冲持续的时间很长，可能在几十甚至几百毫秒。想象一下，我们把这个“闪光”的速度不断提高，将它“闪光”的时间进一步压缩，一直压缩到阿秒尺度（ ≤几百阿秒），那么这个“闪光”就可以理解为一个“阿秒光脉冲”了。

阿秒光脉冲：为电子摄影

“阿秒光脉冲”到底有什么用处呢？在回答这个问题之前，请各位同学再回忆一下生活中拍照的场景。对摄影有研究的同学可能会有印象，要是用长曝光时间去拍摄快速运动的物体，拍出来的画面会带有虚影，或者干脆糊成一片；用高速的快门，我们就能够瞬间定格高速运动的物体，例如飞驰而过的汽车、奔跑的运动员等。同样，在黑漆漆的夜里，如果用闪光灯拍照，闪光的速度越快，我们越能够定格高速运动的画面。“阿秒光脉冲”最大的特点就是“闪光”的持续时间极短，我们可以将其理解为一种超级超级超级快的“闪光灯”。所以，有了“阿秒光脉冲”，我们就可以对一些超级超级超级快的物理过程进行研究了，比如微观尺度的一系列的运动过程，都需要超快的观测手段。而电子的运动正好对应阿秒级，所以，有了“阿秒光脉冲”这一武器，我们就能够给电子拍摄一系列的高速照片，更好地理解电子的活动。

当然了，这里的“拍照”是一种形象的说法，它代指众多探测的维度和手段，例如泵浦探测等。有了对电子运动的观测结果，我们就能够对不同的分子进行更精准的识别，也能够对化学反应的很多过程有更加深入的理解，从而不断深化物理化学的相关基础理论。因此与“阿秒光脉冲”伴随而生的还有很多新的研究方向，例如阿秒物理学、阿秒化学等等。总的来说，“阿秒光脉冲”是科学家手中的一个强有力的工具，能够帮我们更好地理解这个世界运行的底层规律。

迎接阿秒時代

“阿秒光脉冲”在科学研究上如此有用，但它的产生却不是一件容易的事情，这次获得诺贝尔物理学奖的三位科学家，主要贡献也是在如何通过实验产生阿秒光脉冲方面的研究。其实直到现在，如何产生脉宽更短、能量更大的阿秒光脉冲，依然是科学研究领域的前沿课题。我国在阿秒光脉冲相关研究方面也处于世界前列，如中国科学院、华中科技大学等研究团队，在阿秒精密测量等方面都取得了重要的研究进展。截止到今天，人类达到的最短的阿秒光脉冲是2017 年由瑞士研究团队实现的，脉宽为43 阿秒，相信科学家未来必将不断挑战并刷新这一世界纪录。

那阿秒光脉冲在生活中能有什么作用呢？其实纵观历史，我们会发现众多科研成果都是从实验室逐渐走入日常生活的。例如大家耳熟能详的皮秒激光、飞秒激光等，最早也都是存在于实验室里的很遥远的前沿技术。飞秒激光相关的啁啾脉冲放大技术还曾获得2018 年诺贝尔物理学奖，但其实飞秒激光刚诞生时，人们也没有在生活中找到适合它的应用场景。而后来随着超快激光技术的不断成熟、成本的不断降低，目前皮秒激光、飞秒激光已经广泛应用于医疗和美容行业，像皮肤祛斑、近视眼手术等等。所以，虽然阿秒光脉冲目前还处于实验室研究阶段，但它在电子层面观测甚至操控的广阔潜力，使得阿秒光脉冲在未来应用方面具备极大的想象空间，除了物理、化学等领域，还可能在生物医药等领域发挥巨大作用。例如目前已经有研究团队正在开发利用阿秒光脉冲进行无损分子分析的新型医疗诊断技术，相信阿秒光脉冲在不久的将来也一定会走入大家的日常生活中。