10月3日，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)宣布，將2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予阿秒激光領(lǐng)域3位物理學(xué)家皮埃爾·阿戈斯蒂尼( Pierre Agostini)、費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和安妮·盧利爾（Anne L Huillier），以表彰他們“為研究物質(zhì)中的電子動(dòng)力學(xué)而產(chǎn)生阿秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)方法”所作出的貢獻(xiàn)。這也是對(duì)激光實(shí)驗(yàn)技術(shù)特別是超快激光技術(shù)突破成就的又一次獎(jiǎng)勵(lì)。
從時(shí)間域觀察微觀粒子動(dòng)力學(xué)特性
一個(gè)閃光過程，可以描述為一個(gè)光脈沖。
所謂阿秒光脈沖，是指持續(xù)時(shí)間僅在阿秒量級(jí)，即100億億分之一（10-18）秒的光脈沖。人們所說的“快如閃電”，其實(shí)，最快的閃電所持續(xù)的時(shí)間也僅在百分之一到千分之一秒左右。由此，阿秒究竟有多短多快，以人們宏觀的體驗(yàn)是難以想象的。光在1阿秒時(shí)間內(nèi)所能傳輸?shù)木嚯x僅有0.3納米，約相當(dāng)于3個(gè)氫原子的直徑。如果將1阿秒比之于1秒，那就相當(dāng)于1秒之于宇宙約140億的年齡。
目前，利用最先進(jìn)的電子顯微鏡，人們已經(jīng)能夠看到原子的圖像，這是自然科學(xué)從空間域研究物理現(xiàn)象與規(guī)律的巨大進(jìn)步。人們已知，組成物質(zhì)世界的分子、原子及電子都處在絕對(duì)的運(yùn)動(dòng)之中，那么如何從時(shí)間域觀察這些粒子的運(yùn)動(dòng)即發(fā)生在微觀世界的動(dòng)力學(xué)特性，也是人們研究并認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象與規(guī)律的另外一個(gè)重要方面。1999年，美國加州理工學(xué)院埃裔科學(xué)家A. H. Zewail教授因首次用飛秒脈沖研究化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的工作獨(dú)享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
一般來說，分子的振動(dòng)及原子的運(yùn)動(dòng)在皮秒到飛秒的量級(jí)，用飛秒脈沖就可以研究不同分子及原子的動(dòng)力學(xué)過程。但對(duì)于原子內(nèi)繞核運(yùn)動(dòng)的電子，其時(shí)間在阿秒量級(jí)，如氫原子中電子繞核一周的時(shí)間約為152阿秒。原子結(jié)構(gòu)模型是奠定現(xiàn)代物理學(xué)大廈的重要基石，也是量子力學(xué)的重要成就，但一直以來缺少對(duì)這一理論模型的實(shí)驗(yàn)測量。阿秒光脈沖的出現(xiàn)，第一次為人們測量并控制電子的運(yùn)動(dòng)提供了前所未有的手段。由于核外電子運(yùn)行是物理、化學(xué)、生物等不同學(xué)科都需要共同面對(duì)的基本科學(xué)問題，因此阿秒光脈沖的出現(xiàn)，在多個(gè)學(xué)科的前沿研究及應(yīng)用方面都有著重要的科學(xué)意義及實(shí)際價(jià)值。
迎來超快科學(xué)阿秒時(shí)代
追蹤阿秒光脈沖的產(chǎn)生，與高次諧波（high-order harmonic generation, HHG）密不可分。
當(dāng)激光作用于非線性晶體時(shí)，在特定的條件下會(huì)產(chǎn)生二次諧波，也就是所謂的倍頻。通常，這種效應(yīng)需要滿足相位匹配條件，并需要激光有一定的強(qiáng)度。不同于常規(guī)激光，超短脈沖激光由于對(duì)應(yīng)高的峰值功率及強(qiáng)度，因此當(dāng)與物質(zhì)相互作用時(shí)，即使沒有相位匹配的條件，也會(huì)激發(fā)出許多不同特性的非線性效應(yīng)，如多光子效應(yīng)、閾上電離、自相位調(diào)制等。1988年，法國原子和表面物理研究所的A. L' Huillier及M. Ferray等人在已有非線性效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，采用脈沖36ps、峰值功率約1GW的Nd:YAG激光與Ar、Kr等原子氣體相互作用，觀察到了波長延伸至近30nm的極紫外HHG，并發(fā)現(xiàn)這種諧波具有兩個(gè)典型的特征：一是諧波均為入射激光頻率的奇次倍；二是諧波均由下降區(qū)、平臺(tái)區(qū)及截止區(qū)3個(gè)部分組成。這種極紫外相干輻射的產(chǎn)生，為人們獲得具有高光子能量的短波長激光提供了一種緊湊而經(jīng)濟(jì)的新方案。
不久之后，匈牙利固體物理研究所的G. Farkas和C. Toth等人通過理論分析指出HHG是產(chǎn)生阿秒脈沖的可行方式，有望獲得100阿秒的超快激光。1993年，加拿大國家研究院的P. Corkum教授提出了三步模型理論，對(duì)其物理機(jī)制進(jìn)行了合理而完美的解釋，在其后的研究中也進(jìn)一步得出高次諧波具有阿秒脈寬的特性。
產(chǎn)生高次諧波的原理示意圖（引自Luis Plaja et al; Attosecond Physics-Attosecond--Attosecond Measurements and Control of Physical Systems, Springer Press, 2013）
那么如何通過HHG實(shí)現(xiàn)阿秒脈沖呢？
當(dāng)時(shí)人們面臨著復(fù)雜的技術(shù)問題，一是HHG的效率極低，二是需要在真空中傳輸，三是沒有成熟的時(shí)間測量技術(shù)。因此在以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)的物理研究中，無法證明所產(chǎn)生的HHG具有阿秒脈寬。
直到跨入新世紀(jì)的2001年，首先由法國與荷蘭的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在皮埃爾·阿戈斯蒂尼的主導(dǎo)下，在采用40fs的鈦寶石放大激光與Ar氣相互作用產(chǎn)生HHG的基礎(chǔ)上，通過時(shí)間飛行電子譜儀（TOP）及微通道板（MCP）測量隨延時(shí)變化的光電離電子，得到了脈沖寬度為250阿秒、相鄰脈沖間隔為1.35飛秒的阿秒脈沖串。但是，這種阿秒脈沖串在應(yīng)用中存在很大的局限性，實(shí)際的應(yīng)用研究需要孤立的單阿秒脈沖。
時(shí)隔不久，由時(shí)在維也納技術(shù)大學(xué)的F. Krausz教授領(lǐng)銜的一個(gè)更為強(qiáng)大的研究團(tuán)隊(duì)與P. Corkum教授等合作，在用7fs的飛秒鈦寶石放大激光驅(qū)動(dòng)Ne氣產(chǎn)生HHG的基礎(chǔ)上，采用互相關(guān)測量濾波后的極紫外光在Kr氣中產(chǎn)生的光電子動(dòng)量分布，證明了150阿秒的時(shí)間分辨測量能力，獲得了650阿秒的單個(gè)孤立阿秒脈沖，并成功用以Kr原子內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)的測量。該結(jié)果的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著超快科學(xué)阿秒時(shí)代的來臨，次年被《自然》和《科學(xué)》雜志共同評(píng)選為年度十大科學(xué)進(jìn)展之一。
250阿秒脈沖串測量結(jié)果（引自P.M.Paul et al; SCIENCE VOL 292, 1689 (2001)）
產(chǎn)生孤立單阿秒脈沖的實(shí)驗(yàn)示意圖（引自F.Krausz and M.Ivanov, Attosecond physics, Rev of Mod Phys, Vol.81, No.1 (2009)）
未來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展策源地
隨著孤立阿秒脈沖的出現(xiàn)，人們進(jìn)一步發(fā)展了不同的選通及測量技術(shù)，并推動(dòng)了最短阿秒脈沖的不斷進(jìn)展。如美國中佛羅里達(dá)大學(xué)常增虎教授的課題組先后于2012年及2017年兩次打破阿秒激光脈沖的世界紀(jì)錄，分別得到了67阿秒及53阿秒的孤立阿秒脈沖結(jié)果。歐盟也在匈牙利建設(shè)了以阿秒脈沖激光為平臺(tái)的極端光科學(xué)設(shè)施ELI-ALPS。
阿秒光脈沖的出現(xiàn)，為超快科學(xué)打開了更高分辨率的研究大門，通過測量控制電子的動(dòng)力學(xué)特性，為進(jìn)一步推動(dòng)原子分子物理、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、生物等諸多學(xué)科的創(chuàng)新發(fā)展提供前所未有的手段，可望對(duì)諸多物理現(xiàn)象的研究取得新認(rèn)識(shí)，如超導(dǎo)的機(jī)理、磁學(xué)中自旋交換的本質(zhì)、半導(dǎo)體中電子和空穴之間的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制。
由于物理、生物、化學(xué)等領(lǐng)域中的許多現(xiàn)象的本質(zhì)都來自于原子內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)，因此，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，阿秒脈沖激光將有助于人們從根本上弄清包括疾病在內(nèi)的微觀起因和形成過程，并用以新藥開發(fā)的指導(dǎo)。在能源領(lǐng)域，通過阿秒脈沖對(duì)材料中的電子運(yùn)動(dòng)過程的研究，可望提升光伏電池的效率。在信息領(lǐng)域，通過阿秒脈沖對(duì)材料電學(xué)性質(zhì)的控制，已能實(shí)現(xiàn)PHz的開關(guān)速率，相比目前CPU普遍僅GHz的時(shí)鐘頻率，有望帶來信息處理及計(jì)算的革命，這些激動(dòng)人心的工作，不僅是前沿基礎(chǔ)科學(xué)的熱點(diǎn)，也是與未來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)的內(nèi)容。當(dāng)然，目前阿秒脈沖主要還在實(shí)驗(yàn)室發(fā)展階段，進(jìn)一步的發(fā)展還需要科學(xué)家與工程技術(shù)人員的共同努力。
?。ㄗ髡撸何褐玖x，中國科學(xué)院物理研究所二級(jí)研究員。首次在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)阿秒脈沖的產(chǎn)生測量，多項(xiàng)工作曾打破世界紀(jì)錄。迄今發(fā)表SCI論文400余篇。曾任國際純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)（IUPAP）、馬科斯-普朗克阿秒科學(xué)中心（MPC-AS）、國際阿秒物理委員會(huì)、亞洲強(qiáng)激光委員會(huì)等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)成員，多次擔(dān)任該領(lǐng)域國際會(huì)議的主席及共主席。以第一完成人獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)及中國科學(xué)院科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、科技促進(jìn)二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。中國科學(xué)院青年科學(xué)家獎(jiǎng)（2001）、國家杰出青年基金（2002）、胡剛復(fù)物理獎(jiǎng)（2011）獲得者，先后當(dāng)選美國光學(xué)學(xué)會(huì)fellow，中國光學(xué)學(xué)會(huì)及中國光學(xué)工程學(xué)會(huì)會(huì)士。）
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