捕获阿秒的秘密

樊晓武

瑞典皇家科学院宣布，将2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·吕利耶，以表彰他们将产生阿秒光脉冲的实验方法用于研究物质的电子动力学，為人类探索原子和分子内的电子世界提供了新工具。

阿戈斯蒂尼是美国俄亥俄州立大学教授；克劳斯是德国马克斯·普朗克量子光学研究所主任和德国慕尼黑大学教授；吕利耶是瑞典隆德大学教授。

一只蜂鸟可以每秒可以拍打80次翅膀，而这时人眼已经完全看不清蜂鸟的翅膀了。

人类可以借助高速摄影机来捕捉肉眼无法追踪的现象和细节。动作越快，就要求照片的快门速度越高，这样才能捕捉到瞬间的画面。

如果我们把目光放到原子层面，就会发现，原子的运动速度快得令人难以置信。在分子里，原子会以千万亿分之一秒（10-15秒，也就是飞秒）的单位移动和转动。

然而，如果再把视角放在原子内部的电子上，飞秒已经无法追上电子的运动。在飞秒尺度上，电子运动看上去模糊不清——电子的移动和变化速度在1到几百阿秒之间。1阿秒=10-18秒，这是什么概念？

1秒里包含的阿秒数，就相当于整个宇宙年龄（1018秒）包含的秒数！

那么，如何捕捉阿秒的踪迹？这就需要借助激光脉冲技术。

光由波组成，波即是电场和磁场中的振动，光在真空中的移动速度比其他任何东西都快，不同波长的光表现出不同的颜色，例如：红光的波长为700纳米，宽度相当于头发丝的1/100。

在以前，普通激光的波长无法低于飞秒，飞秒被认为是激光脉冲的极限。然而，科学家并不满足于此。

只要使用足够多的大小、波长和振幅，就能形成任何波形。可以通过组合更多更短的波长来制造更短的脉冲。要在原子尺度上观测电子运动，需要足够短的光脉冲，这意味着需要将许多不同波长的短波组合在一起。

1987年，安妮？吕利耶做了一个有趣的实验。她用飞秒激光去照射一些稀有气体，结果发现这些气体会发出很多不同颜色的光。她发现，飞秒激光经过原子内部时，可以把气体里的电子推来推去，就像玩玻璃球一样。当激光通过后，电子就会回到原来的位置，同时把刚才获得的能量以光的形式放出来。激光通过时对电子“拨动”的程度不同，会使得这些谐波光的波长各有不同。

这个发现让科学家们很兴奋。如果把这些谐波光组合叠加起来，就可以产生变量和变暗交替的效果，就像相机里的快门一样。这样，他们就可以用这种光脉冲去观察电子的运动。

然而，从理论设想到实验成功有相当长的时间。直到2001年，皮埃尔·阿戈斯蒂尼和他的法国研究小组成功地制造并研究了一系列连续的光脉冲，就像一列有车厢的火车。他们使用了一些特殊的装置和技术，将“脉冲列车”与原始激光脉冲的延迟部分放在一起，以观察泛音如何彼此组合。他们还测量了“脉冲列车”中脉冲的持续时间，成功产生了持续250阿秒的脉冲光，相当于实现了四千万亿分之一秒的快门速度！

与此同时，奥地利的费伦茨·克劳兹和他的研究小组研究了一种可以实现单个脉冲的技术，就像一节车厢从火车上脱钩并切换到另一条轨道上。他们成功分离出的脉冲持续 650 阿秒的脉冲光。

我国科学家也非常重视阿秒光脉冲的研究。2013年，魏志义课题组首次在国内产生并测得了160阿秒的孤立阿秒脉冲，目前正在进一步朝着更短脉宽、更高能量及更高重复频率的方向发展。

现在，人们已经可以进入阿秒世界，这些短脉冲光可以用来研究电子的运动。今天科学家们可以产生低至几十阿秒的光脉冲，而且这种技术还在不断发展。

通过阿秒脉冲，可以测量电子被拉离原子所需的时间，并研究电子被拉离原子所需时间和电子与原子核结合的紧密程度的关系。当前，阿秒脉冲技术已被用于探索原子和分子的详细物理过程，并有望应用于凝聚态物理、原子分子物理、化学、生物医学、信息、能源等领域。