物理诺奖深度解读:为了“捕捉”电子,他们发明世界最快激光,轰开物理世界新的大门!

瞻云 2023-10-03 22:28:56

2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)、安妮·呂利耶(Anne L’Huillier),以表彰他们在阿秒光脉冲方面所做出的贡献,,这一成果具有什么意义?

脉冲激光在人类认识微观世界上,发挥着无比重要的作用。

不同脉冲频率的激光,犹如我们特殊的眼睛,帮助我们探索微观世界。

纳秒级(10^9)的脉冲可以研究表面、晶体层、纳米结构的结构变化动力学过程。

皮秒级(10^12)脉冲可以研究分子旋转动力学过程。

飞秒级(10^15)脉冲可以研究原子尺度的振动过程。

当然,在实际运用上,纳秒、皮秒、飞秒等各种级别的激光脉冲,在医学和材料学方面具有广阔的运用。

生物医学:激光杀菌、激光治疗、激光手术、激光检测。

材料科学:激光切割、激光焊接、激光打标。

而到了阿秒(10^−18)脉冲级别,如此小的尺度,一秒钟能跑299792458米的光,在1阿秒的时间内,都只能跑0.3纳米。

其实它的实用性,已经大大降低。

但在微观物理领域,它的重要性,简直如同打开一扇大门的钥匙。

因为,我们的眼睛可以借助阿秒激光“进入”亚原子世界,足够观测电子的移动以及能量改变。

这便是这次诺奖介绍中提到的电子动力学。

电子动力学其实可以追溯到1927年。

玻恩和他的学生奥本海默共同提出了玻恩-奥本海默近似:

原子核质量比电子质量大很多,互相作用时,原了核速度比电子小很多。当原子核分布发生微小变化,电子便会随着原子迅速变化,对轨道变化并不敏感。电子的运动形式由原子唯一决定,电子永远处于由原子构型所决定的基态势能面上。

巧合的是,近期刚刚热映了电影《奥本海默》。

奥本海默没有获得过诺贝尔物理学奖,也是很多人心中的遗憾。奥本海默-沃尔科夫极限(中子星的质量上限),是值得一个诺贝尔物理学奖的。

简单来说,在玻恩-奥本海默近似下,求解薛定谱方程时,原子核坐标可视为常数,分子波函数就可以分解成电子波函数和原子核波函数两部分。原子核与电了运动的问题,就变成了电子在固定原子核场中的运动问题。这样,对于分子结构的研究,就由原来的多粒子体系简化为 N个全同粒子(电子是质量、电荷、自旋等特征完全相同的粒子)体系的研究,大大简化了多粒子体系的复杂度。然而,涉及超快过程、电子激发态过程等特殊情况,玻恩-奥本海默近似便不再适用。此时的电子动力学,还与与电子体系本身的演化历史、电子和原子核耦合相关。

随着微观物理的发展,对电子动力学性质的精确描述和解释,无论从理解上还是实验上,都遇到了极大的挑战。

这相当于在20世纪下半叶,微观物理学遇到了一扇新的门,急需一把新钥匙来打开这扇门。

而皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)、安妮·呂利耶(Anne L’Huillier)三人,今年之所以获得物理学诺贝尔奖,正是找到了创造阿秒激光脉冲的方法,获得了这把钥匙。

激光原理,可以追溯到1916年爱因斯坦关于光与物质相互作用的理论。

简单来说,电子从高能级回落到低能级,所释放(激发)出来的光子,汇聚成束就是激光。特殊的产生形式,也令激光具有单色性、方向性好、亮度高、相干性高等特征。

人类真正制造出激光,已经是1960年:

在红宝石晶体基质Al2O3中掺入约0.05%的Cr2O3,从而使得红宝石中的电子泵浦到相同的较高激发态上,然后在极短时间内掉到同一较低能级上,从而获得高单色性的激光。

激光的激发特性,也决定了,最容易获得的是脉冲激光。其脉冲特性,也比连续激光(需要让激发的电子能级均匀分布)更加适合用在微观研究领域。

随后人们开始了对激光的大量研究和应用。

1987年,安妮·呂利耶(获奖第三位)利用惰性气体传输红外激光时,发现产生了很多不同于原激光的“泛音”[1]。

简单来说,这就像弹吉他的过程。

弦振动产生某种基频的声音,如果受到手指等其它因素的干扰,产生的音波互相影响而出现的谐波,这便是泛音。

其实,人在说话的时候,之所以我们能改变发声,很大程度上,并不是直接改变声带的振动,而是通过喉咙、口腔、鼻腔共鸣,产生泛音,从而对我们的最终发声产生影响。

而激光泛音,正是激光与惰性气体原子相互作用而产生的,本质上是一种高次谐波(HHG)。

20世纪90年代,安妮·呂利耶和其团队都在致力于研究这种泛音。他们对其光谱形状进行了预测,认识到这是单电子效应[2][3],并对高次谐波过程提出了清晰理解:

电子在强激光作用下发生隧穿电离,离开原子,然后在激光场中加速,获得能量。最后再落回原子场中,把刚才获得的能量以光子的形式释放而出。

这里,可以简单理解成电子被激光强电离,吸收能量后再次落回轨道,从而激发出新的光子。这些光子一般相当于紫外线。

由于都是相同性质的光,所以这些光波重叠时,相同方向的波会成倍增强,而相反方向的波则会互相抵消。当重合到一个恰到好处的位置,高次谐波激光便产生了。

高次谐波的原理解释,其实和皮埃尔·阿戈斯蒂尼(获奖第一位)更早的研究有关。

1979年,皮埃尔·阿戈斯蒂尼和其团队在实验中发现了原子的超阈值电离(ATl),这正是激光高次谐波产生的基础[4]。

而到了1994年,皮埃尔·阿戈斯蒂尼团队发明了RABBITT(通过双光子跃迁干涉重建阿秒跳动)技术[5],从而有了测量高次谐波阿秒脉冲持续时间的可能。

2001年,皮埃尔·阿戈斯蒂尼,用氩气实现了250阿秒的一系列连续光脉冲,并用RABBITT技术进行了测量[6]。简而言之,这种技术可以使脉冲串(一系列高次谐波)与激光延迟部分放在一起,从而可以观察泛音彼此同相的过程,这自然也可以同时测量脉冲持续时间。

而费伦茨·克劳斯(获奖的第二位)则通过使用多层XUV反射镜选择更少周期的脉冲在截止点附近产生谐波,制造出了650阿秒的单个光脉冲,同时进行了相应的光电子能谱分析。

至此皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)、安妮·呂利耶(Anne L’Huillier)三人的研究,打开了微观物理新大门,阿秒激光在原子、分子,以及电子动力学、凝聚态物理有了前所未有的用武之地。

总的来说,三位诺奖得主,实至名归:

皮埃尔·阿戈斯蒂尼无论从原理解释还是应用基础上,都具有极大的功劳。而费伦茨·克劳斯则在应用上有着决定性的贡献,与皮埃尔·阿戈斯蒂尼的测量技术互为补充。而安妮·呂利耶则有开创之功,并在皮埃尔·阿戈斯蒂尼早期研究的基础上,对阿秒激光原理进行了解释。

参考

^Ferray M, L'Huillier A, Li X F, et al. Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases[J]. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 1988, 21(3): L31.

^L’Huillier A, Balcou P. High-order harmonic generation in rare gases with a 1-ps 1053-nm laser[J]. Physical Review Letters, 1993, 70(6): 774.

^Lewenstein M, Balcou P, Ivanov M Y, et al. Theory of high-harmonic generation by low-frequency laser fields[J]. Physical Review A, 1994, 49(3): 2117.

^Agostini P, Fabre F, Mainfray G, et al. Free-free transitions following six-photon ionization of xenon atoms[J]. Physical Review Letters, 1979, 42(17): 1127.

^Klünder K, Dahlström J M, Gisselbrecht M, et al. Probing single-photon ionization on the attosecond time scale[J]. Physical Review Letters, 2011, 106(14): 143002.

^Paul P M, Toma E S, Breger P, et al. Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation[J]. Science, 2001, 292(5522): 1689-1692.

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瞻云

简介:科普作家,生物学、物理学领域创作者