“原子”详解2023年诺贝尔物理学奖

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来源：DeepTech深科技

瑞典皇家科学院决定将2023年诺贝尔物理学奖联合授予Pierre Agostini、Ferenc Krausz和Anne L’Huillier，“以表彰他们创造了产生阿秒光脉冲的实验方法用来研究原子、分子和物质中的电子动力学”。

当维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）在1925年提出新的量子力学（矩阵形式）时，他的主要论点是，旧量子力学理论迫使物理学家使用原则上不可观测的量，例如氢原子中电子位置和公转周期。

海森堡认为，一个新的理论应该基于“可观察性”，比如量子跃迁的频率。海森堡1925年发表的《关于运动学和动力学的量子力学解释》是20世纪物理学中最重要的论文之一，但他无法预料的是，曾经“原则上”不可观测的东西现在却在实验室里变得触手可及。

严格意义上，我们可能还无法观察到电子在原子核周围的位置和公转周期，但今天，我们可以在实验中“看到”原子、分子和凝聚相中物质中电子的动力学。这是怎么做到的？

基于对本征原子时间单位（约24阿秒）和单周期光脉冲的时间尺度（约1飞秒）的比较，一些简单论点表明，我们永远不可能实时探测电子动力学。

事实上，在相当长的一段时间内，激光实验室产生的最短脉冲约为6飞秒。短光脉冲的实验发展与激光技术的技术发展密切相关，如模式锁定和光脉冲持续时间测量。

这使得探索原子在分子中的运动状态成为可能，特别是使研究化学反应中难以捉摸的过渡态成为可能，Ahmed Zewail因此于1999年获得诺贝尔化学奖。自大约1600年以来，我们测量最短时间间隔的可能性（约1秒）的所有发展都是基于该技术的进步。

但是，打破1飞秒的障碍需要基础物理学范式的转变。20世纪80年代，几个研究小组产生并研究了高电荷的原子离子，或者没有或只有几个电子的原子。研究人员采用了不同的方法，例如使用先进的离子源和高功率激光器。

他们展示了多光子电离过程如何产生多重带电离子。一个显而易见的问题是“在这些多光子电离过程中产生的光子，它们的波长是多少？”

多重带电离子很容易被探测到，而光谱分辨光子更加困难。在法国巴黎萨克雷的一个研究中心第一次使用了红外激光（1064纳米）进行实验，并给出了非常令人惊讶的结果。

当稀有气体受到强度为1013 W/cm2的红外激光辐照时，产生了许多高次谐波（HHG），对应于频率为激光基频数倍的相干辐射发射。令人惊讶的是，奇次谐波的发射强度首先急剧下降，然后在5次谐波到大约33次谐波之间基本上是恒定的，然后再次下降。

原子物理学中最初的多光子过程领域相当狭窄，但现在已经扩展到分子物理学、物理化学、凝聚态物理学和光生成技术等应用领域的许多前沿。

Garching的Krausz小组已经迈出了生物应用的第一步。通过结合宽带光学、超快激光源和精确飞秒-阿秒场分辨技术，Krausz小组开发了电场分子指纹技术，可以检测生物流体分子组成的变化。这有望成为一种新的体外诊断分析技术，用于检测血液样本中疾病痕迹的特征分子。

它最大的优点是可以同时监测许多分子，并且辐射是非电离的，因此无害。在进一步扩展阿秒科学基础的过程中，其他小组也开展了重要工作。

Rocio Borrego Varillas、Matteo Lucchini和Mauro Nisoli最近发表了一篇全面的综述文章，描述了获奖者的研究对他们工作的促进作用：在利用强大的激光效应将探测时间范围放到阿秒尺度时，他们可以看到电子在原子、分子和物质的凝聚相中的移动过程。今年的诺贝尔物理学奖打开了海森堡无法想象的窗口，可以探索以前无法观察到的现象。

支持：Ren、张智

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