用阿秒光脉冲探索微观世界

杨先碧

在量子世界的神秘舞台上，阿秒光脉冲技术如同一道闪耀的星光，照亮了科学家们探索微观物质世界的道路。这个引人注目的新工具，以其独特的方式开启了量子物理学研究的新篇章。瑞典物理学家安妮·吕利耶、法國物理学家皮埃尔·阿戈斯蒂尼和奥地利物理学家费伦茨·克劳斯，这3位杰出的科学家因为在阿秒光脉冲技术发展中的卓越贡献，荣获了2023年诺贝尔物理学奖。

什么是阿秒光脉冲

要领悟阿秒光脉冲的奥秘，我们首先要揭开阿秒的神秘面纱。

阿秒是时间计量单位，等于一百亿亿分之一秒。

我们可以比较一下。光的速度是非常快的，1秒内它可以跑出30万千米，光线从月球达到地球只要1.28秒。可是，光在1阿秒内仅能前进0.3纳米，也就是说光刚一起跑，阿秒已经过去了。可见，阿秒是多么短促。

光脉冲是光源按一定时间间隔、时断时续地发光，而阿秒光脉冲是由超级短暂的闪光构成。

阿秒光脉冲是科学家手中的利器，它以极致短促的时间照亮微观世界的奥秘。与此同时，它拥有惊人的能量密度和精细的波长控制。这使得科学家能够轻松操控和探测微观粒子。在能量传输方面，阿秒光脉冲的瞬间功率更是展现出了巨大的潜力。它能在瞬间产生极高能量，有望成为未来能源领域的重要选择。

如何产生阿秒光脉冲

每一项新技术并非凭空而降，它们是在前人智慧与努力中孕育而生的。阿秒光脉冲也不例外，它的诞生是因为有了飞秒光脉冲作为基石。

飞秒又叫毫微微秒，也是时间计量单位。1飞秒等于一千万亿分之一秒。光在1飞秒内只能走0.3微米，不到一根头发丝的百分之一。大家回想一下阿秒的那些数据，应该知道飞秒比阿秒长得多。

若要跨越从飞秒到阿秒这道时间之篱，阿秒光脉冲的追求者明白，仅靠改良现有科技是远远不够的，还需要开拓全新的技术领域。

科学家通过精密计算，大胆推测：我们可以利用多个飞秒光脉冲组合，来揭开阿秒的神秘面纱。

吕利耶主要研究领域是原子与短强激光脉冲的相互作用，这为她的阿秒光脉冲成就奠定了坚实的基础。

早在1987年，吕利耶在法国原子能委员会的实验室里，用一束红外激光穿过惰性气体，出乎意料地产生了高次谐波，而且生成的高次谐波更多、更强。高次谐波是一种能量之波，是在原始波的一个周期中完成多个完整周期的波。后续的理论研究中，她与合作者预测了高次谐波产生阿秒光脉冲的可能性。

吕利耶没有止步于此，她继续在后续实验中深入探索这种效应。这些实验为阿秒光脉冲的产生铺平了道路。1992年，她在瑞典隆德大学参与安装了欧洲第一批飞秒光脉冲钛蓝宝石固态激光系统。2003年，她带领的团队创造了170阿秒的光脉冲，打破了世界纪录。

吕利耶是一位性格温和、内敛的女科学家，同时她的内心充满了对生活的热爱。她对葡萄酒颇有研究，能够准确辨别出不同葡萄酒的年份。

在吕利耶关于高次谐波的卓越研究之后，其他科学家开始投身于识别与测试飞秒光脉冲的实验。

真正的突破发生在2001年，法国的阿戈斯蒂尼和他的研究团队成功制造并研究了一系列连续的光脉冲。这一过程让他们找到了测量光脉冲持续时间的方法，探测到了持续时间为250阿秒的光脉冲。

与此同时，克劳斯和他的研究小组做了新的尝试，目标是把单个的脉冲分离出来，就像把一节车厢从火车上拆解下来再切换到另一条轨道上。最终，他们不仅成功分离出单个脉冲，还让其持续了650阿秒。利用这种单体阿秒光脉冲，克劳斯观察到电子从原子中被拉出的过程。这个实验标志着阿秒物理学的诞生。

3位科学家及其团队的连续突破显示，科学家不仅能够利用设备生成阿秒光脉冲，还能够对其进行观测和测量。他们对阿秒光脉冲的研究成果获得了科学界的关注，并在2002年被著名的学术期刊《科学》和《自然》杂志同时评为世界“十大科学突破”之一。

阿秒光脉冲的应用

科学家费尽心血去产生那些转瞬即逝的阿秒光脉冲，究竟有何深远的意义呢？

我们可以把他们想象成超级英雄闪电侠，他们为了探索微观世界中的物质构造与光并肩奔跑，用肉眼无法看清的超快速度揭开物质的奥秘。

对于原子来说，它们的运动速度快得令人咋舌，以飞秒为单位。然而，与电子相比，原子的运动就如同蜗牛一般缓慢，因为电子运动的时间尺度是阿秒。打个比喻，如果想看清闪电侠的抬腿换步，我们就需要和他跑得一样快。

阿秒光脉冲的出现，如同给科学家装上了超级英雄的视力，让他们能够看清原子内部的微观世界。如果说，采用高速摄影相机可以将一个动作定格成一帧帧清晰的画面，阿秒光脉冲就是研究微观物质世界的高速摄影相机，可以在极小的时间范围内，观察和控制原子和分子内电子的行为。这对于理解物质的微观结构和动力学特性具有重要的科学价值。

如今，阿秒物理学的大门已经敞开，阿秒光脉冲的应用也愈发广泛。

在材料科学领域，阿秒光脉冲可以用于研究超快现象，揭露超导材料的微观秘密。在能源领域，阿秒光脉冲可以用于研究光子和电子的相互作用，为开发更高效的太阳能电池提供关键信息。在生物学领域，阿秒光脉冲可以用于研究光合作用过程中电子的转移和分配过程，从而更好地理解和利用生物系统的能源转换机制。在生物化学领域，化学反应的本质就来自于原子尺度的电子运动，阿秒光脉冲激光将有助于从根本上弄清楚疾病产生的微观起因、形成和发展。

此外，阿秒光脉冲还涉足量子世界的疆域，担当起量子信息处理和量子计算的重任。阿秒光脉冲凭其独特的性质，可作为量子比特的操纵工具，因此在量子计算和信息处理的舞台上发挥着举足轻重的作用。这一领域的发展被寄予厚望，它有可能引领下一场科技革命，创造出更为强大且高效的信息处理和通信技术。

在这个信息化、量子化的时代，阿秒光脉冲如同一道明亮的灯塔，照亮了科学家探索未知世界的道路。未来，我们有理由期待阿秒光脉冲在更多领域带来更多的科技革命和突破。

[获奖者简介]

安妮·吕利耶

瑞典物理学家，1958年出生于法国，1979年获法国丰特奈高等师范学校硕士学位，1986年获法国巴黎第六大学博士学位，1986年任法国原子能委员会光子、原子暨分子服务处永久研究员，1995年任瑞典隆德大学副教授，1997年至今任瑞典隆德大学教授。

皮埃尔·阿戈斯蒂尼

法国物理学家，1941年7月出生于突尼斯，1961年获法国艾克斯-马赛大学学士学位，1968年获法国艾克斯-马赛大学博士学位，1969年进入法国原子能委员会巴黎萨克雷大学分会工作，2004年任美国俄亥俄州立大学物理系教授。

费伦茨·克劳斯

奥地利物理学家，1962年5月出生于匈牙利，1991年获奥地利维也纳工业大学激光物理学博士学位，1996年任维也纳工业大学电气工程助理教授，1999年任维也纳工业大学电气工程教授，2004年至今任德国慕尼黑大学教授。