2023年诺贝尔物理学奖：人类进入阿秒时代

龙海涛

2023年诺贝尔物理学奖授予了美国俄亥俄州立大学名誉教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德国马克斯·普朗克量子光学研究所教授费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大学教授安妮·吕利耶（Anne LHuillier）。过去，想捕捉电子的移动是不可能实现的事情，然而，这三位物理学家发现了一种产生极短光脉冲的方法，可用于测量电子移动或改变能量的快速过程。瑞典皇家科学院指出，他们“证明了一种制造极短光脉冲—阿秒脉冲的方法，这种方法可用于测量原子和分子内部的电子运动或改变能量的快速过程，为人类探索电子世界提供了新工具”。什么是阿秒？阿秒技术将给我们的生活带来哪些变化？

“阿秒”的诞生：让人类看到更精微的世界

自然界里的各种物理过程，其运动的时间尺度是不同的。比如，人们用肉眼就可以清晰分辨出运动员划水的过程；子弹击穿苹果的过程虽然无法用肉眼捕捉，但是可借助高速摄像机拍摄后以慢动作呈现。相比之下，自然界微观世界的粒子运动更快，因此人类需要研制更细微、更精确的工具来观察物质世界。

人类在对自然界瞬态过程的探索中，陆续达到了毫秒（10-3秒）、微秒（10-6秒）、纳秒（10-9秒）、皮秒（10-12秒）和飞秒（10-15秒）的时间分辨。纳秒、皮秒和飞秒量级的脉冲激光器相继于1962年、1966年和1974年被研发出来。到了20世纪80年代，更低噪声、更高稳定性且如今应用最广泛的钛蓝宝石激光器问世。1999年，艾哈迈德·泽维尔因“用飞秒光谱学对化学反应过渡态的研究”获得了诺贝尔化学奖。2018年诺贝尔物理学奖授予了超强超短激光的啁啾脉冲放大技术的发明者，啁啾脉冲放大技术是实现高强度飞秒激光脉冲的关键技术之一。

皮秒可以观测到分子的运动，飞秒可以观测到化学反应中原子的运动，如果要更进一步观察电子以及原子核内的运动过程，就需要更小的时间单位。

这时候出现了一个新的时间单位—阿秒。阿秒是目前已知的最小的时间单位。阿秒有多短暂呢？1阿秒是10-18秒。1阿秒之于1秒，相当于1秒之于宇宙的年龄（138亿年）。光1秒传播的距离可以绕地球7.5圈，而光在1阿秒内只能从水分子的一端传播到另一端。

阿秒光脉冲技术是人类目前所掌握的最快的时间尺度。相干光脉冲从皮秒进步到阿秒，不仅是时间尺度的简单进步，更重要的是将人们研究物质结构的能力从分子、原子运动推进到了原子内部，可以对电子运动和关联行为进行探测，从而可以引發基础物理研究的重大革命。

三位科学家的贡献

本次获奖的三位科学家，将光脉冲宽度从皮秒精确到了阿秒量级。1987年，安妮·吕利耶发现，在红外激光通过稀有气体时，会产生许多不同的光的“泛音”。它们是由激光与气体中的原子相互作用引起，这种作用给予一些电子额外的能量，然后以光的形式发射出来。随后安妮·吕利耶继续探索这一现象，为后续的突破奠定了基础。2001年，皮埃尔·阿戈斯蒂尼成功地制造并研究了一系列连续的光脉冲，每个脉冲仅持续250阿秒。与此同时，费伦茨·克劳斯在另一种类型的实验中成功分离出可持续650阿秒的单个光脉冲。

安妮·吕利耶

安妮·吕利耶1958年在巴黎出生，目前在瑞典隆德大学担任原子物理学教授。1987年，她首次在实验中观测到了高次谐波现象，并在这次实验后决定投入到这一研究领域。1992年，她参与安装了欧洲第一个用于飞秒脉冲的钛蓝宝石固态激光器。2003年，她带领团队产生了170阿秒脉宽的脉冲激光，打破了世界纪录。2021年，她因在超快激光科学和阿秒物理方面的开创性贡献而被美国光学学会授予马克斯·伯恩奖。2022年，吕利耶获得了沃尔夫物理学奖，一年后，她成为诺贝尔物理学奖历史上第五位女性获奖者。

费伦茨·克劳斯

费伦茨·克劳斯是匈牙利裔奥地利人。2003年，他被任命为德国马克斯·普朗克量子光学研究所所长，2004年成为德国慕尼黑大学的实验物理学系主任。2006年，他与同事共同创建了慕尼黑先进光子学研究中心。他的主要研究领域是超短脉冲激光技术、高场物理、阿秒物理。早在20世纪90年代，克劳斯就对用激光产生超短光脉冲产生了浓厚的兴趣。2001年，他带领研究团队产生并测量了第一个阿秒光脉冲，并用它来捕捉原子内部电子的运动，标志着阿秒物理的诞生。他还对飞秒脉冲波形进行控制，并由此产生可重复的阿秒脉冲，从而建立了阿秒测量技术。现在，他正在将飞秒激光技术作为阿秒测量技术的基础，进一步开发应用于生物医学的红外光谱，用于筛查人类的早期疾病。

皮埃尔·阿戈斯蒂尼

皮埃尔·阿戈斯蒂尼是美国俄亥俄州立大学名誉教授，专注于激光与原子分子相互作用的研究。他于1968年获得法国艾克斯-马赛大学博士学位。1979年，阿戈斯蒂尼第一次发现了激光与原子作用时的多光子电离效应。2001年，他成功地制造并研究了一系列连续的光脉冲，每个脉冲仅持续250阿秒。阿戈斯蒂尼是第一批通过实验制造出阿秒光脉冲的科学家之一。阿戈斯蒂尼的研究领域颇广，包括高次谐波的产生、飞秒和亚次谐波的产生、激光与物质相互作用等。

我国首个阿秒激光装置正在建设中

位于我国粤港澳大湾区的松山湖材料实验室，正在规划一台阿秒激光装置。该装置具备高重复频率、高光子能量、高通量及极短脉宽的超快相干辐射，并配备建设相应的应用研究平台，建成后综合指标有望实现国际领先。在我国，与阿秒激光相关的研究被纳入国家重要发展方向，已经建成的相关实验系统及正在规划的科学装置，将为阿秒动力学的研究提供重要的创新手段。

阿秒技术影响众多领域

当今，在全世界的实验室里，阿秒级设备和装置越来越普及，正被科学家作为一种全新的测量工具来观察和理解电子、原子和分子的运动过程。这对于医学、材料科学、能源科学、物理、化学、电子学等领域的科研发展具有重要意义。

在医学领域，阿秒相机可以帮助医生对微观病灶进行精确诊断和治疗；阿秒光脉冲可以用于发现早期癌症指标。

在材料科学领域，阿秒技术可以用来研究材料的微观结构和性质，从而推动新型材料的发现和应用。

在能源科学领域，科学家可以通过阿秒技术提高能源利用效率并实现可持续发展。

在化学领域，基于阿秒光脉冲技术，科学家有望精确设计和控制化学反应的方向，减少副产物的产生。

在物理学领域，科学家可以通过阿秒光脉冲将绝缘物质变成导电物质。

在电子学领域，有朝一日科学家可以通过阿秒技术催生更强大的计算机芯片。阿秒技术可以用于实现更快速的量子计算。在量子计算中，量子比特之间的相互作用非常关键，而阿秒级别的计时可以更好地揭示这些相互作用。

此外，阿秒计时技术可以帮助科学家更精确地测量时间，进一步揭示物质和能量之间的相互作用。这对于基础科学研究、精密计时、导航定位等领域具有重要意义。

总之，阿秒技术将为我们提供更深入、更精确的微观世界的窗口，对很多领域产生深远影响，并将改变我们的生活。正如诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森所说：“我们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会了解控制电子的机制，下一步将是更好地利用它们。”

【责任编辑】蒲 晖