解读2023物理学诺奖：能给电子拍照的“阿秒”超级快门

Stefan Haessler

法国国立高等先进技术学院（巴黎综合理工大学）应用光学实验室CNRS研究员

2023年诺贝尔物理学奖授予Pierre Agostini、Ferenc Krausz和Anne L’Huillier，以表彰他们在开发阿秒光脉冲用于研究电子动力学方面的卓越贡献。阿秒脉冲技术让我们能够捕捉到电子的瞬时运动，解决了过去因速度过快而无法观测的难题。通过这种技术，科学家们可以深入研究电子的重新排列过程，这对物理学和化学领域的基础研究至关重要。为什么要开发阿秒激光脉冲源？这些阿秒脉冲技术在实际应用中能带来哪些突破？

2023年诺贝尔物理学奖授予了Pierre Agostini、Ferenc Krausz 和Anne L’Huillier，以表彰他们在阿秒激光脉冲研究中做出的贡献。

如今使用最多的阿秒脉冲产生法由L’Huillier开发，其原理是引导电子和其所属的原子核发生碰撞。

阿秒脉冲可以作为“超快闪光灯”，捕捉极小物体的极快速运动，可供多学科研究使用。例如在生物学中，可以用阿秒脉冲分析某些类型的辐射对DNA的损伤。

未来，科学家希望开发比阿秒更短促的脉冲，观察原子核中的质子和中子。

2023年诺贝尔物理学奖授予了Pierre Agostini、Ferenc Krausz和Anne L’Huillier，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（1阿秒等于10-18秒，即十亿份之一秒的十亿份之一）。

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为什么要开发阿秒激光脉冲源？

激光脉冲就像照相机的闪光灯，使我们观察到运动物体的瞬间。闪光时间越短暂，能观察到的运动就越快。过去的技术只能产生飞秒级别（10-15秒）的激光脉冲，仅足以跟得上化学反应中原子核移动的速度。而阿秒级别的脉冲则能捕捉到电子的重新排列。一直以来，这一过程由于速度太快，在许多理论模型中甚至视为瞬时！

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为什么要观察电子的运动规律？

原子、分子等物质发生变化的关键阶段都涉及电子重组。电子动力学是物理学和化学中的一个重要课题。有了阿秒激光，过去无法进行的实验观测将变为现实，为诸多问题提供答案，如：电子云在快速扰动后如何重组？需要多长时间？对原子核的运动有何影响？能人工控制操纵电子的重新排列吗？…

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为什么描述电子的运动规律如此困难？

在量子力学中，可以通过求解方程洞悉电子等物质的运动轨迹，但是精确求解所需的计算量庞大，即使对仅由一个原子核+两个电子组成的氦也是如此，更复杂的原子甚至分子就更不用说了。为了简化计算，唯一的办法是使用近似值。近似值能为原本复杂的物理问题提供简化的思维模型，所以当然是越准确越好。阿秒脉冲在此可派上用场：能提供极其精确的实验测量结果，验证近似值。

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我们身边的种种物体是由什么组成的？分子是所有的物质的基本结构单元。以水为例：水由水分子（H2O）组成，一杯纯净水含有大量的水分子。分子又是由原子组成的：一个水分子里有2个氢原子和1个氧原子。原子由原子核和围绕其旋转的核外电子组成。电子对分子中化学键的形成至关重要。许多化学反应涉及电子交换。物质的导电性、磁性、电磁辐射等特性也都与电子有关。

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阿秒脉冲催生了哪些科研发现？

在电子学中，可以用具有开关特性、由电讯号控制的元件决定电流的通过。例如：给晶体管施加电场，根据晶体管是否被激活，电流要么通过，要么被截断。为了突破开合速度的极限，可使用激光脉冲代替晶体管。利用阿秒物理学原理，科学家开发出了有史以来切换速度最快、控制精度最高的信号。德国加兴市和奥地利格拉茨市的学者发现，在维持光电子过程可控性的前提下，切换频率最高可达1拍赫兹（即100万千兆赫）[1]。

图片来源：Johan Jarnestad/皇家瑞典学院科学学院

利用阿秒激光脉冲，还测出了电子吸收光子后离开原子所需的时间。2010年，Krausz的课题组发表了一项实验结果，表明氖原子的两个电子层的发射之间存在20阿秒的差异[2]。经过七年的研究，L’Huillier的课题组证明了这种延迟源于氖电子之间的互相牵制[3]。

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阿秒脉冲技术在日常生活中得到应用了吗？

没有，为时尚早。但是阿秒脉冲在科研中的应用的确越来越广泛。化学界自2010年起便试图使用阿秒脉冲优化某些化学反应。然而，由于电子的运动规律高度复杂、难以控制，所以相关研究仍处于起步阶段。分子生物学家使用阿秒脉冲观察突然移除一个电子后，电荷沿着大分子迁移的轨迹和速度，由此比拟某些类型的辐射对DNA造成的损伤。半导体行业正在探索如何使用阿秒脉冲进行光刻。

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如何产生这么短促的激光脉冲呢？

如今使用最广泛的方法由 L’Huillier开发：将激光（近红外或可见光范围）对准气体原子。在适当的条件下，激光的电场会吸引电子，引导它们与所属的原子碰撞。激光与许多原子互动会产生一组特定波长的谐波。谐波相互作用，就能产生阿秒脉冲。使用非常薄的固体、等离子体镜甚至自由电子激光器等也能产生阿秒脉冲。从技术上讲，产生一系列连续阿秒脉冲并不复杂，但确定其表征参数有难度。随着阿秒脉冲源进一步发展，未来必能用于新的处理过程。

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阿秒脉冲未来的发展方向有哪些？

未来，阿秒脉冲研究的对象将从简单到复杂：更大的分子、纳米尺寸的固体等。脉冲的持续时间还能进一步缩短，达到仄秒（千分之一阿秒），让观察质子和中子成为可能。

另一个研发方向是将有限的能量在阿秒级别的时间尺度上释放，达到前所未有的大功率。根据量子理论，如果能创造足够强的电磁场，可从量子真空中将物质和反物质分离，既把光转化为物质。然而，目前还不存在功率足够大的设备。最有潜力的设备是等离子体镜——现有最强大的激光源，能产生佩塔瓦特（1015瓦）的激光 [4]，因此吸引了三位诺奖得主的兴趣。在巴黎综合理工学院和索邦大学的联合实验室就有等离子体镜APOLLON。这一切努力的最终目的是在史无前例的极端条件下验证物理化学的基本理论。

作者

Anaïs Marechal

编辑

Meister Xia

1. https://doi.org/10.1038/nature11567

2. https://doi.org/10.1126/science.1189401

3. https://doi.org/10.1126/science.aao7043

4. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.105001