捕捉稍纵即逝的瞬间——2023年诺贝尔物理学奖解读

◆兰从古 席泽华

2023 年10 月3 日，瑞典皇家科学院郑重宣布，将2023 年诺贝尔物理学奖授予美国俄亥俄州立大学的皮埃尔·阿戈斯蒂尼、德国马克斯普朗克量子光学研究所的费伦茨·克劳斯和瑞典隆德大学的安妮·勒惠利尔，以表彰他们对研发阿秒脉冲激光技术作出的杰出贡献。这项技术为了解物质内部的微观动态提供了视觉上的“火眼金睛”。

图1 2023 年诺贝尔物理学奖得主——左起：皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯、安妮·勒惠利尔（图/诺贝尔奖委员会官网）

什么是阿秒脉冲激光

阿托秒（as）又称阿秒，是人类掌握的最小时间分辨尺度。1 阿秒表示百亿亿分之一秒，相当于1 秒钟与宇宙年龄138 亿年的大小差别。更贴切地来形容——光在真空中1 秒钟能传播30 万千米，1 阿秒只能传播0.3纳米。可见1 阿秒是多么短暂。

激光可分为连续激光和脉冲激光。1 阿秒或几十甚至几百阿秒闪烁一次的脉冲激光，称为阿秒脉冲激光；飞秒（fs）也称毫微微秒，1飞秒（1000 as）或几十甚至几百飞秒闪烁一次的脉冲激光，称为飞秒脉冲激光。显然，无论是飞秒脉冲激光还是阿秒脉冲激光，其闪烁速度都快得惊人。

2001 年，皮埃尔•阿戈斯蒂尼及其法国同事，通过实验成功获取了一系列闪烁的激光。他们使用特殊的技术，测得激光每次闪烁停顿时间为250 阿秒，也就是250 阿秒的脉冲激光。与此同时，费伦茨•克劳斯和他的奥地利伙伴们，研究出一种可以选择单个脉冲的技术，借此从其他光线中成功隔离出650 阿秒脉冲激光。

阿秒脉冲激光“现形”

为便于理解，我们首先需要明白两个道理：一是包括激光在内的一切光线，表现为交替变换的电场和磁场，两种统称为光场。光的传播伴随光场的交替变换，其变换一次的时间称为光的波动周期。二是构成物质的原子内部，原子核吸引电子绕其旋转，一旦电子获得能量，便会到处乱窜，甚至脱离原子核的吸引，当返回原位时会放出光子，即一丝光。

气体原子受高能飞秒脉冲激光照射，内部电子吸收了激光的能量变得十分活跃，从而挣脱原子核的束缚，成为行动自由的“流浪儿”。这种流浪电子受到激光的光场作用飞离原子，又随激光光场方向的改变飞回原子。在复归原位时，将原本吸收的激光能量以高能光子的形式释放，这些被释放的光子间存在极短的间隔，形成阿秒脉冲激光。

这个过程属于物理学上的高次谐波效应。举例来说，如果把石头看作飞秒脉冲激光，把湖面看成气体原子，溅起的水花相当于电子，石头砸入水面溅起的水花形成层层涟漪，从特定角度看，水纹交替隆起又迅速消失。如此，石头对水面振荡一次激起千层波浪，相当于闪烁较慢的飞秒脉冲激光引发快速闪烁的阿秒脉冲激光。

助力探察微观世界

阿秒脉冲激光技术是一种新的探察原子或分子内部微观世界的工具，为探索电子世界打开了大门。

然而，如何运用阿秒脉冲激光技术完美捕捉稍纵即逝的目标的清晰图像呢？电影中能与光并肩奔跑的闪电侠，人们用肉眼根本无法看清他的动作，但如果我们的速度与闪电侠一致，或许就能清晰地看到他的一举一动。分子或原子内部的电子运动速度同样惊人，其位置、分布和路径等变化都以飞秒或阿秒级进行，传统仪器自然无法将其观察仔细。借助阿秒脉冲激光技术，观察时就如同拥有了与瞬间变化同样之快的“魔力”。

图3 高速相机拍摄的子弹穿透玻璃的图像（图/图虫创意）

具体来说，利用阿秒脉冲激光技术可测量电子脱离原子和回归原子的速度和路线。例如：化学反应是电子在不同原子之间转移的过程，然而电子如何转移？转移到新的地方又呈怎样的分布？人类借助阿秒脉冲激光技术就能认清和控制化学反应，为开发新材料、新技术提供重要依据。当光子冲击某个原子时，内部电子如何离开原子核？剩下的电子和原子核之间如何相互作用？我们也可以使用同样的方法探明这些问题，便于重新排列物质内部电子的分布，有望在医学和研发新材料领域“大显身手”。

该类研究在我国的发展

2013 年，中国科学院物理研究所魏志义课题组成功实现了160 孤立阿秒脉冲测量实验结果，取得了这一领域的重大突破。2020 年，华中科技大学、国防科技大学和中国科学院西安光学精密机械研究所等研究团队，也先后实现了阿秒脉冲激光的获取和测量。

近年来，我国开始大规模开展有关阿秒脉冲激光设施设备的建设。如中国科学院物理研究所在东莞松山湖的阿秒科学中心、西安光机所阿秒科学与技术研究中心，以及北京怀柔综合极端条件实验平台的百阿秒装置。科研人员依托这些科研平台，取得了丰硕成果。目前，我国阿秒脉冲激光大概为70 阿秒的量级。

阿秒脉冲激光技术为探索自然、了解世界打开了另一扇窗。未来，这项技术或将在更多领域发挥更大作用。