科普：觀察微觀世界的“超級快門”
——2023年諾貝爾物理學獎成果解讀
新華社北京10月3日電 瑞典皇家科學院3日宣布，將2023年諾貝爾物理學獎授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費倫茨·克勞斯和安妮·呂利耶三位科學家，以表彰他們“為研究物質中的電子動力學而產生阿秒光脈沖的實驗方法”。
什么是阿秒？1阿秒是10的負18次方秒，也就是十億分之一秒的十億分之一。在這三位科學家的努力下，光脈沖已經可以達到阿秒級。那么，創造如此短瞬間的光脈沖有哪些意義？
蜂鳥扇動翅膀的頻率可達每秒80次，而我們只能看到翅膀模糊的影子。人類視覺感官不可能觀察到極短的事件，快速的運動看起來就是一片模糊，“捕捉”這些非常短暫的瞬間需要使用高速攝影。要獲得蜂鳥翅膀運動的清晰圖像，相機快門必須比蜂鳥翅膀運動的速度還快。也就是說，任何測量都必須比被測量對象變化的速度更快，否則結果就是“模糊”的。
而在物質的微觀世界，粒子都是以極高的頻率在移動。原子運動的時間尺度是飛秒，即10的負15次方秒，用激光脈沖（飛秒激光）可以觀察。但原子的運動比起電子的運動來說還是“慢得很”，因為電子運動的時間尺度是阿秒。電子在原子或分子內部運動如此之快，以至于在飛秒級的光脈沖觀察下還是模糊不清。科學界認識到，需要全新的技術以觀察到電子的運動。
光的波長和頻率成反比，人們可以想到的最短光脈沖就是光波的一個振動周期。在這種情況下，普通波長的激光系統所產生的光脈沖無法低于飛秒，這是上世紀80年代科學界的普遍認識。如何讓光脈沖達到阿秒級？科學家通過計算認為，可以通過組合多個波長的短波激光脈沖來產生更短的光脈沖。
要組合新波長需要的不僅僅是激光，另一個關鍵是激光穿過氣體時產生一種現象：光與原子相互作用并產生諧波，那是在原始波的一個周期中完成多個完整周期的波。1987年，呂利耶在法國實驗用一束紅外激光穿過惰性氣體，結果產生的諧波比之前用較短波長激光所產生的諧波更多更強。她在上世紀90年代繼續探索這種效應，為下一個實驗突破奠定了基礎。
光的能量與波長有關，越短波長的光能量越強。激光穿過氣體時產生諧波的能量相當于紫外線，其波長比可見光短。激光與許多不同的氣體原子互動就會產生一組特定波長的諧波，而這些諧波又會相互作用，在適當的情況下會產生一系列紫外線光脈沖，每個脈沖的時間尺度為幾百阿秒。
實際識別和測試脈沖的突破發生在2001年。阿戈斯蒂尼在法國和他的研究小組成功創造和研究了一系列連續的諧波光脈沖，就像一列帶車廂的火車。他們使用了一種特殊的技巧讓光脈沖“列車”和延時的原始激光束放在一起，以觀察諧波。他們還實測出每個脈沖持續約250阿秒。與此同時，當時在奧地利的克勞斯和他的研究小組研究出一種技術，可以分離出單個脈沖。他們成功分離的脈沖持續了650阿秒，該小組用它來跟蹤和研究電子從原子中“拉離”的過程。
三位科學家連續的突破表明，阿秒脈沖可以觀察和測量，并且也可以用于新的實驗。如今，“阿秒物理學”的世界已經打開，可以產生的光脈沖達到幾十阿秒量級，這些“超級快門”可以用來觀察電子的運動、探測原子和分子的詳細結構，也可以用在醫療診斷中識別不同的分子。
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