阿秒光脉冲：探秘微观世界的时间之窗

朱明宇 倪宏程 吴健

人类对于物质本源的探索与追求是永不停歇的。物理学，从对物质构成和物质运动的哲学追问开始，逐渐演变成对微观世界和运动过程的实验探究。时间一直是物理学中最基本的参量，尤其在微观世界的探索中，微观粒子的运动在更短的时间尺度上进行。在空间上，X射线衍射与扫描隧道显微镜等技术使我们能够以0.1纳米（10-9米）级别的空间分辨率观察微观物体，而粒子对撞机使得我们能“看见”飞米（10-15米）尺度的原子核；在时间上，原子分子中电子的运动速度之快，需要我们借助阿秒（10-18秒）超快脉冲技术，以光脉冲“快门”记录下这些极短时间的奇妙过程。阿秒时间尺度极短，一阿秒之于一秒，正如一秒之于宇宙年龄。

2023年度诺贝尔物理学奖授予了阿戈斯蒂尼（P. Agostini）、克劳斯（F. Krausz）和吕利耶（A. LHuillier），以表彰他们“在产生用于研究物质中电子动力学的阿秒光脉冲的实验方法”上做出的开创性贡献。阿秒光脉冲的产生为物理学家提供了探索物质中电子超快运动的基本工具，开创了阿秒科学。

光的奇妙旅程：时间尺度的推进

为了记录以及研究物体的运动和变化，我们需要使用一个与其时间尺度相匹配的“快门”。一个快门，实际上就是一个光脉冲。当我们的研究对象从宏观物体过渡到原子分子、电子乃至原子核内部时，其运动周期越来越短，时间尺度越来越快。因此，我们需要借助更快的快门——或者说更短的光脉冲——来研究相应的物理现象。

1878年，为了解决“马在奔跑过程中是否会出现四蹄腾空”的热点争议，迈布里奇（E. Muybridge）使用12台相机在较短的时间间隔内依次拍下赛马的照片，从而解决了这个争论已久的问题。借助现代高速摄影技术，我们得以以微秒尺度的时间分辨率观察高速运动的子弹穿过苹果的瞬间。让我们将目光转向微观世界，分子转动与分子振动的周期在皮秒（10-12秒）与飞秒（10-15秒）量级。科学家泽维尔（A. Zewail）首先利用飛秒光脉冲对分子化学反应进行实时观测，开创了飞秒化学的新领域，并因此获得了1999年度诺贝尔化学奖。相比于分子中原子的运动，原子中电子运动的时间尺度要短得多，对应阿秒量级，例如，氢原子中基态电子运动的周期仅为150阿秒。故而，为了研究束缚态电子的超快动力学，我们需要将脉冲宽度进一步缩短至阿秒量级，一般对应于极紫外甚至X射线波段的光脉冲。

阿秒光脉冲的产生：高次谐波

了解微观世界需要更短的时间尺度，而机械或电子的快门无法提供足够短的曝光时间。于是，科学家采用超短光脉冲进行曝光，创造了虚拟的“快门”，时间分辨率由光脉冲的宽度决定。而要实现足够窄的脉冲宽度，需要光波长足够短或光频率足够高。

从常用的红外基频激光产生更高频率的极紫外激光脉冲，光频率的提升需要借助非线性效应来实现。在非线性光学中，可以借助非线性介质与基频光相互作用，产生二倍、三倍基频光频率的谐波光，但通过这种方法难以获得更高频率的谐波光。基于气体的高次谐波为阿秒脉冲的产生提供了可靠的技术手段。

1988年，吕利耶等学者通过将光强约1013瓦/厘米2、波长为1064纳米的红外激光与稀有气体相互作用，获得了最高达33阶的高次谐波，对应最短波长32.2纳米[1]，这是传统非线性光学技术所无法企及的。此外，这次实验清晰地观测到了稀有气体高次谐波的频谱特性：仅有奇数阶次谐波（与体系对称性有关），存在一个微扰区、一个缓变的平台区以及一个与激光参数和气体种类有关的截止区。

1994年，莱文施泰因（M. Lewenstein）、吕利耶、科克姆等学者进一步基于强场近似理论发展了高次谐波产生的全量子理论，验证了三步模型的半经典理论诠释[6]。

至此，气体高次谐波产生的理论框架基本成熟。

基于实验技术的不断进步，2001年，阿戈斯蒂尼团队通过将钛宝石激光器产生的800纳米近红外飞秒激光作用于氩气，获得了脉宽仅为250阿秒的阿秒脉冲串[7]。这是历史上第一次阿秒脉冲的产生与标定实验。

孤立阿秒脉冲需要从高次谐波产生的阿秒脉冲串中提取出来，相比脉冲串的产生，更具有挑战性。另一种途径是，将处于可见光或红外波段的飞秒激光的脉宽压缩至数个乃至单个周期（脉宽约为数飞秒），以此作为驱动光。单个飞秒激光脉冲所产生的阿秒脉冲谐波自然也只有少数几个，其能量集中在驱动光达到峰值强度所对应的周期，于是便能产生孤立阿秒脉冲。同样在2001年，克劳斯团队以少周期可见光飞秒脉冲作为驱动光，并使用了特殊的反射镜用于选通特定的谐波阶次，获得了脉宽为650阿秒的孤立阿秒脉冲[8]。

如今，在实验上利用波长为3.9微米的中红外飞秒激光，已经能够获得高达5000阶次的高次谐波，对应硬X射线波段，未来有望获得脉宽仅2.5阿秒的孤立X射线阿秒脉冲[9]。

实验上阿秒脉冲的产生与标定，标志着阿秒科学的诞生，为后续基于阿秒脉冲研究物质中的电子超快动力学打下了坚实的基础。

电子超快动力学：阿秒电离延时

以阿秒光脉冲为工具，我们得以一探原子内部的电子结构，回答关于电子超快运动的悬而未决的问题。例如，光电离是否需要时间？

光电离也叫光电效应，在1887年由赫兹发现，在1905年由爱因斯坦首次做出理论解释。在光电离过程中，光被认为是由光子组成的，每份光子携带一份能量，而光子的能量由光的频率决定，从而其能量是离散的而不是连续的。这种离散化的思想是量子力学的根本基础，光电效应也因此被视作量子力学开端的标志性效应。在光子概念提出的过程中，有一个重要的论据，即不管光强多小，只要光频率足够高，那么光电子都会瞬时产生出来，而不需要像波那样在时域积攒足够的能量从而产生光电子。随着时间分辨率提升到阿秒量级，“光电离是瞬时发生的”这一曾引起物理学深刻变革的重要观点也受到严峻挑战。实际上，人类对于时间的认识也伴随着科技进步和社会发展而逐渐拓宽。光电离过程是否需要时间这个问题，就伴随着快门速度的提升经历了一个重新认识的过程。

当物理学家终于拥有了与光电离物理过程的时间尺度相匹配的快门，即阿秒脉冲后，他们惊讶地发现，光电离竟然不是瞬时发生的。2007年，克劳斯团队使用基于孤立阿秒脈冲与近红外光场的阿秒条纹相机技术，在实验上测得固体体系中光电离的延时现象：从金属锌的导带中出射的光电子与内壳层4f轨道出射的电子之间存在100阿秒左右的延时[10]。2010年，克劳斯团队在原子体系中探测到光电离延时效应：从氖原子2s与2p壳层出射的光电子之间存在21阿秒的延时[11]。这一实验结果与理论计算存在偏差，而在2017年，吕利耶团队用基于阿秒脉冲串与近红外光场的能量分辨率更高的RABBITT技术揭示了这一偏差的成因[12]。

光电效应作为光的量子效应的有力证据，曾经推动了人类对物理学认识的飞跃式发展，是现代物理学的重要研究方向。至今，不同物理体系的光电离延时仍然是阿秒科学的研究热点。

探测光电离延时通常采用泵浦-探测实验方法，其中泵浦光将待研究体系激发至实验所要达到的状态，而探测光一般在泵浦光之后发挥作用，起到探测体系演化状态的作用。测量阿秒电离延时的常见实验手段有阿秒条纹相机、RABBITT技术与阿秒钟等。

以阿秒条纹相机[13]为例，其使用高频孤立阿秒脉冲作为泵浦光，近红外光场作为探测光。在实验中，阿秒脉冲在短时间内使待测体系发生光电离，产生近自由的电子，电子在近红外光场的作用下运动，在激光场结束后抵达探测器，探测器将光电子信号转化为电信号，得到光电子的动量分布。通过改变泵浦光与探测光的相对时间位置（相对延时），得到一组条纹状的光电子动量谱，即可从这一图像中提取体系的电离延时信息。

条纹相机的时间分辨率与其探测信号的振荡快慢，或者说振荡周期有关。相比于传统条纹相机，阿秒条纹相机以飞秒脉冲作为探测信号，其信号变化速率远大于传统条纹相机使用的扫描电压信号，因此能够突破传统条纹相机的皮秒量级时间分辨极限，实现阿秒分辨率的计时。

阿秒脉冲的应用

除了研究光电离延时相关的基础物理过程，阿秒科学的前沿理论与实验研究为其在其他领域的应用奠定了基础。

共振现象普遍存在于各种物理过程中，对于物理学基本规律的研究具有重要的基础意义，而电离过程往往伴随着共振现象。共振作为电子动力学在频域的一种描述，其超快建立过程是非常值得研究的。2016年，两个不同研究团队应用超快泵浦-探测技术，分别研究了法诺共振（Fano resonance）的建立过程[14，15]。实际上，阿秒脉冲可以进一步应用于电子的各类共振现象的研究中。

在化学领域，我们知道化学反应的本质是化学键的形成和断裂，而化学键实质上是电子轨道的交叠组合。因此，尽管飞秒脉冲已经用于研究化学反应的机理与过程，对于化学反应中化学键形成与断裂的阿秒精度的精确操控，有助于人们进一步更深刻地理解化学反应本质。研究化学反应中电子运动与化学键成键、断裂的研究方向，称为阿秒化学[16]。

在固态光源领域，在与可见光或红外波段的飞秒激光相互作用时，固体材料亦能产生高次谐波，这一现象最早于2011年被发现[17]。固体中的高次谐波与气体高次谐波遵循不同的规律，具有更多更新颖的物理过程。相比气体，固体材料更加稳定可控、便于集成，因此是集成式阿秒脉冲激光器的理想工质。然而，固体材料在强激光场中容易发生不可逆的损伤，这限制了其能量与频率的提高。

在凝聚态物理和材料科学领域，阿秒脉冲技术可以用于研究材料的电子动力学，包括光生载流子、电荷转移、能带结构和光电转换等过程和现象。这对于半导体行业的研发和优化，尤其是更高效电子器件和太阳能电池的开发，具有重要意义。

在量子光学与量子信息领域，一些前沿研究已经展示了在原子、分子内产生量子纠缠的方法[18]；通过使用处于压缩态的量子光源作为驱动光，能产生高于一般截止阶次的高次谐波[19，20]，其中的物理机制仍有待探索。

下一步：進军仄秒

回顾此前时间尺度的推进，1985年利用啁啾脉冲放大技术获得飞秒激光脉冲标志着飞秒科学的建立；2001年基于高次谐波产生的阿秒激光脉冲则标志着阿秒科学的诞生。从飞秒时代到阿秒时代经过了近20年的时间，如今阿秒科学也走过了20余年，我们站在了下一时代——仄秒（10-21秒）时代的起点。

阿秒时间尺度对应原子分子中价电子能级的能量尺度。仄秒时间尺度相比阿秒迈进了三个数量级，其对应的物理现象的能量尺度也相应提高了三个数量级。原子内壳层电子能级乃至一些原子核的核能级属于这一能量尺度，对应的是X射线波段。

如今，通过自由电子激光，我们可以产生光强极强（超过1020瓦/厘米2），涵盖极紫外、软X射线与硬X射线波段的超快激光，有望通过研究原子、分子内层壳电子或原子核能级的激发，寻求迈入仄秒世界的方法。

尽管目前尚未有产生仄秒时间尺度的光脉冲，我们仍然可以借助阿秒脉冲以及先进的光电子-离子符合探测技术实现对一些物理现象的仄秒精度的分辨。2020年，一项研究聚焦氢气分子的光电离现象，揭示了对于分子轴平行于光传播方向的分子，从两个核出射的电子波包之间存在247仄秒的延时，并将其归结为光“穿过”氢分子所用的时间[21]。

2023年度诺贝尔物理学奖的颁发是阿秒科学蓬勃发展的一个标志。阿秒光脉冲不仅是一种探索微观世界的工具，更是推动凝聚态物理、超快化学、生物医药、新能源材料和量子信息技术等多个领域前进的动力。

阿秒光脉冲科技迅速发展，为了满足不断增长的需求，国际上正在建设大型的阿秒科学装置，例如欧洲极端光设施（ELI）等。我国也在积极推动先进阿秒激光设施的规划和建设，例如上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE），以取得在该领域的重要突破。

未来，随着阿秒科学的不断深入，我们有望更全面、更深入地理解自然界的奥秘。

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