科技日報記者 劉霞
北京時間10月3日17時45分，瑞典皇家科學院宣布，2023年諾貝爾物理學獎花落美國俄亥俄州立大學的、德國馬克斯普朗克量子光學研究所和慕尼黑路德維希馬克西米利安大學的以及瑞典隆德大學的。
這三位科學家展示了創建極短光脈沖——阿秒脈沖的方法，為人類探索原子和分子內部的電子世界提供了新的工具。
其中，勒惠利爾從激光與氣體中原子的相互作用中發現了一種新的效應，阿戈斯蒂尼和克勞斯則證明，這種效應可以用來產生比以前更短的阿秒脈沖（1阿秒等于10的負18次方秒）。
諾貝爾物理學委員會主席伊娃·奧爾森認為，人們現在可以打開電子世界的大門。阿秒物理學讓科學家有機會了解電子控制的機制，也讓人們能夠進一步理解一些基本問題，例如愛因斯坦1921年獲得諾貝爾物理學獎的光電效應的時間尺度。
光脈沖中的電子
一只小小的蜂鳥每秒可以拍打翅膀80次。我們只能將其視為嗡嗡聲和模糊的運動。對于人類的感官來說，極短的事件不可能用肉眼觀察到。因此我們才需要使用技術技巧來捕捉或描繪這些非常短暫的瞬間。
高速攝影和閃光燈可以捕捉到轉瞬即逝現象的詳細圖像。拍攝飛行中的蜂鳥的照片需要的曝光時間比拍攝蜂鳥單次拍翅所需時間短。如此一來，事件發生得越快，想要捕捉這些超快瞬間，拍攝照片的速度也就要越快。
今年的獲獎者開展的實驗，正是展示了一種產生足夠短光脈沖的方法，可用于捕獲原子和分子內部過程的圖像。
在一個分子中，原子的運動可以用激光產生的最短脈沖來研究；而當電子在原子或分子內部移動時，其速度如此之快，以至于其發生的變化在飛秒（千萬億分之一秒，10的負15次方秒）內變得模糊不清。在電子的世界中，位置和能量在一到幾百阿秒內發生變化。
一阿秒如此短暫，以至于一秒包含的阿秒數量與宇宙自138億年前誕生以來經歷的秒的數量一樣多。更貼切一點，我們可以想象，一束光從房間的一端到達對面墻上需要一百億阿秒。
電子在原子和分子內的運動如此迅速，只能用阿秒測量。1阿秒之于1秒正如1秒之于宇宙的年齡（138億年）。圖片來源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院
長期以來，飛秒一直被認為是可能產生的最短光脈沖的極限。改進現有技術并不足以看到電子的驚人短暫時間尺度上發生的過程，做到這一點需要全新的技術。今年的獲獎者進行的實驗開辟了阿秒物理學的新研究領域。
“泛音”產生更短光脈沖
光是電場和磁場振動形成的電磁波，而且，光在真空中的速度比其他任何東西都快。不同光具有不同的波長，會呈現不同的顏色。例如，紅光的波長約為700納米，是一根頭發絲寬度的百分之一，它以每秒約430萬億次的速度循環。
我們可以將最短的光脈沖視為光波中單個周期的長度，所謂一個周期即光波向上擺動到峰值，隨后下降到谷值，然后回到起點的一個循環。在這種情況下，普通激光系統中使用的波長永遠無法低于飛秒，因此在20世紀80年代，這被認為是硬性限制。
波的數學描述表明，使用大小、波長和振幅（波峰和波谷之間的距離）合適的波，可以構建任何波形。阿秒脈沖的訣竅在于，可以通過組合更多更短的波長來產生更短的脈沖。
要為光添加新波長，需要的不僅僅是激光，獲得有史以來研究過的最短瞬間的關鍵是激光穿過氣體時出現的現象。
1987年，勒惠利爾發現，當她將紅外激光透過稀有氣體時，會產生與以前實驗中所不同的“泛音”。正是這些“泛音”，使我們能夠捕捉到在吉他和鋼琴上演奏相同音符時出現的差異。
每個是激光中每個周期具有給定周期數的光波，它們由激光與氣體中的原子相互作用引起，這些相互作用賦予一些電子額外的能量，這些額外的能量然后會以光的形式散射出去，而這些來自電子的光脈沖是出現的原因。
激光與氣體中的原子相互作用。圖片來源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院
一旦這些存在，它們就會相互作用。當這些“泛音”光波的峰值相互重合時，光會變得更強烈，但當一個周期中的峰值與另一個周期的波谷重合時，光會變得不那么強烈。在適當的情況下，“泛音”重合，從而出現一系列紫外線脈沖，其中每個脈沖長達幾百阿秒。
物理學家在20世紀90年代就明白了這背后的理論，但實際識別和測試脈沖的突破發生在2001年。
阿秒脈沖“現形記”
2001年，阿戈斯蒂尼及其在法國的同事，成功地產生并研究了一系列連續的光脈沖。他們使用一種特殊的技巧，將這些光脈沖與原始激光脈沖的延遲部分放在一起，以查看“泛音”如何彼此同步。這個過程讓他們測量出每個脈沖只持續了250阿秒。
與此同時，克勞斯和其在奧地利的伙伴們，研究出一種可以選擇單個脈沖的技術，他們成功隔離的脈沖持續了650阿秒，該小組用它來跟蹤和研究將電子從原子中拉出來的過程。這些實驗表明，科學家們可以觀察和測量阿秒脈沖，并且這些阿秒脈沖也可用于新實驗。
使用最短光脈沖探索電子的世界及實驗裝置示例。圖片來源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院
現在科學家們已經可以管窺阿秒世界，這些短暫的光爆發可用來研究電子的運動。目前，科學家們已經可以制造出低至幾十阿秒的脈沖，而且這項技術一直在發展。
阿秒脈沖可以測量電子脫離原子所需的時間——這一時間取決于電子與原子核結合的緊密程度。此外，阿秒脈沖可以重建在分子和材料內電子分布的變化——以前，科學家們只能用均值來測量電子的位置。
阿秒脈沖還可用于測試物質的內部過程，這一點已被用于探索原子和分子的詳細物理學，它們推動分子使其發出可測量信號的能力，有望在電子和醫學領域“大顯身手”。
