2023 年诺贝尔物理学奖——阿秒光脉冲

摘自 2023 年第 42 期《三联生活周刊》 作者：苗千 原题《阿秒物理学，最短暂的闪光》

来自美国俄亥俄州立大学的皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini，1941— ）、德国马克斯·普朗克量子光学研究所的费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz，1962— ）和瑞典隆德大学的安妮·卢利尔（Anne L’Huillier，1958— ），三位物理学家因为“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”获得了 2023 年诺贝尔物理学奖。

所谓“阿秒”（attosecond）是一个时间单位，它的长度相当于 1×10⁻¹⁸ 秒。这样的时间长度，远远超出了人类的想象力。在诺贝尔奖发布会上，斯德哥尔摩大学物理学教授马茨·拉尔森（Mats Larsson）这样形容：整个宇宙的年龄大约是 1×10¹⁸ 秒。也就是说从比例上来看，1 阿秒之于 1 秒钟，也就相当于 1 秒钟时间之于整个宇宙的年龄。这三位实验物理学家，在几十年的时间里，将光脉冲的时间缩短到了阿秒的时间尺度，使之成为人类探测在分子和原子中电子行为的最佳工具，开启了一个全新的物理学研究领域，同时也展示出了无限的应用可能。

尽管与 2022 年沃尔夫物理学奖（Wolf Prize in Physics）的选择并不完全相同（今年三位诺奖得主中的两位获得了去年的沃尔夫奖），但是这三位实验物理学家作为阿秒物理学届的先驱身份早已被科学界所公认，获得物理学界的最高荣誉可谓实至名归。

在 20 世纪 60 年代，人类利用激光所产生的脉冲还只能达到毫秒级。在经过了半个多世纪的努力之后，人类将光脉冲的时间推向了极致。这源于卢利尔在实验中的发现。1987 年，法国物理学家卢利尔与同事在巴黎的实验室里用一束红外线激光照射惰性气体，尝试利用这种方法取得一些离子。在实验中，卢利尔不仅观测离子，同时还观测用激光照射惰性气体会产生出哪些光子。她意外地发现被照射的气体发射出了紫外线——频率达到了入射红外线的几倍，这相当于在被激光照射时，惰性气体中产生了激光的“泛音”。“就如同你按下一个钢琴键，结果同时听到了几个八度之外的高音”，查尔姆斯理工大学物理学教授戈兰·约翰逊（Göran Johansson）在接受采访时这样形容这个现象。

在接下来的几年里，卢利尔与同事解释了这种气体受到了强场激光的照射之后，释放出高于照射激光频率辐射的非线性“高次谐波”（high harmonics）现象：在红外激光与气体原子发生相互作用时，电子被撞击出来，随后又在强场的作用下回到原子核附近与之发生复合，从而获得能量，进而释放出频率更高的光子。

另一方面，卢利尔也在思考如何利用这种现象。想要产生出极短时间的光脉冲，就需要多个频率的光叠加在一起，并相互干涉。可以说，在光波中所叠加的频率范围越广，那么其脉冲时间也就越短。卢利尔意识到，可以利用高次谐波现象产生出不同频率的光，然后让这些光相互作用，从而便可能产生出极短时间的光脉冲。也正是这样锲而不舍的精神，让卢利尔成为历史上第五位获得诺贝尔物理学奖的女性科学家。

在理论上，利用这种方法实现的光脉冲时间可以进入到阿秒级，但是进行实验的困难依然巨大。直到 2001 年，阿戈斯蒂尼与他的实验团队在巴黎萨克雷大学的实验室里利用氩气产生出了一系列脉冲时间只有 250 阿秒的光脉冲。不过一连串的光脉冲间隔时间太短，人类无法利用其进行进一步的研究。想要产生出单独的阿秒级的光脉冲，就需要最初的激光脉冲时间只能有数千阿秒。同样是在 2001 年，在维也纳大学的实验室里，克劳斯利用不同的技术，产生出了持续时间只有 650 毫秒的单次光脉冲。

可以说，随着阿秒级光脉冲的出现，一个全新的物理世界向人类展开了。在分子和原子世界里，想要捕捉到以近乎光速运动的电子的运动，就必须使用阿秒级光脉冲，为电子拍摄“快照”。这让人类对于微观量子世界中所发生的各种相互作用有了更直观的认识。电子运动是发生化学反应的基础。也只有在阿秒的时间范围内，我们才真正进入到了电子的世界，一些问题才真正有可能被解答，例如：发生光电效应要花费多长时间？在分子中电子发生转移要花费多长时间？借助世界上最短暂的闪光，人类才有可能给出答案。

现在一次光脉冲的时间已经可以达到数十阿秒的级别，人们也开始探索这项技术众多的潜在应用。除了可以利用阿秒级光脉冲制造“绝缘体－导体开关”以及检测血液样本等，现在科学家们正在试图利用它发展“阿秒化学”，也就是利用阿秒级的光脉冲促进化学键的形成或断裂。可以想象，阿秒级光脉冲在多个领域都将有重要应用，最重要的是，随着人类将光脉冲的时间推向极限，也可能让我们对于时间的本质有更深的理解。

官网链接，阿戈斯蒂尼论文链接，克劳斯论文链接，卢利尔论文链接。

发布时间：2024/1/21 上午11:32:01  阅读次数：326