从飞秒到阿秒,亚原子世界的隐私越来越暴露

刁博 2023-10-03 21:54:31

10月3日,2023年的诺贝尔物理学奖揭晓,皮埃尔·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、费伦茨·克劳斯 (Ferenc Krausz) 和安妮·卢利尔 (Anne L’Huillier),以表彰“为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”。

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阿秒是时间单位,1毫秒是千分之一秒,1纳秒是十亿分之一秒,而1阿秒是1纳秒的十亿分之一。以距离衡量的话,光在1阿秒的时间内传播的距离连1纳米的三分之一都不到,和原子的直径差不多。

喜欢观看球赛的人都知道慢镜头能够更清晰地呈现运动过程,镜头越慢对快门速度就有更高的要求。微观世界中原子、电子的运动蕴含着丰富的奥妙,弄清楚亚原子粒子的运动对探寻很多领域的规律及开拓新的应用有很大的帮助,而这需要有非常高的相机快门速度。

1999年诺贝尔化学奖颁发给埃及科学家艾哈迈德·泽维尔,以表彰他用飞秒化学技术对化学反应过程进行的研究。化学反应中,从反应物到生成物中间存在一个过渡态,泽维尔用的飞秒(1飞秒等于1000阿秒)技术相当于制造出当时世界上快门速度最快的照相机,得益于快门的速度,泽维尔得到了化学反应过程中清晰的图像。泽维尔的工作使人类能够观察到化学反应中化学键打开和形成的瞬间。同时飞秒技术引出的新科学超快化学、超快物理、超快生物学。

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激光功率的大幅提高使得超短、超强的激光脉冲能够聚焦很大的能量,其电场强度之大能够远超原子核附近的电场。这样人类就可以改变及控制原子核外电子的运动,进而改变和控制物质的性质。用经典物理即可计算出氢原子中电子绕原子核转动一周所用的时间是152阿秒,很多情景中电子的运动时间尺度可能只有几十阿秒甚至几阿秒,这就使得人类对更短的激光脉冲阿秒脉冲有了需求。

为了获得更短的阿秒脉冲,需要有更短的载波波长,短到需要从光产生的理论上有突破。传统的理论是电子在能级间跃迁释放出光子,这种跃迁产生的电磁波一个周期一般要在一个飞秒以上,难以产生更短的阿秒光脉冲。加拿大物理学家保罗·科克姆(Paul Corkum)用激光将电子电离、加速后再回核,这样即可辐射出高能量的光子。科克姆的工作为阿秒脉冲的获得发挥了很大作用,可能是受获奖人数的限制,科克姆没能分享到诺贝尔奖。

数学分析表明,任何波形都可以由足够多的不同波长及振幅的波叠加而成,以此为诀窍组合很多波长较短的波即可构建波长更短的阿秒脉冲。安妮·卢利尔用红外激光穿过惰性气体产生出更多更强的高次谐波。皮埃尔·阿戈斯蒂尼和费伦茨·克劳斯各自以此为基础制造出几百阿秒的脉冲信号,那是当时最短的激光脉冲。目前几十个阿秒的激光脉冲能够经常出现在一些实验室中。

飞秒激光脉冲开拓了很多领域,阿秒激光脉冲定会在同样的领域创造出更多更有价值的应用。亚原子世界中电子绕核的运动、原子的电离、化学键的形成等等将会更加清晰地呈现出来,微观世界的神秘面纱会在阿秒技术的帮助下慢慢揭开。

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