“脉冲”西班牙光电研究所博士后解读2023物理诺奖：用阿秒脉冲技术揭示微观世界奥秘

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来源：DeepTech深科技

本文作者：西班牙光电研究所（ICFO - The Institute of Photonic Sciences）博士后研究员刘鑫垚博士

图 | 西班牙光电研究所（ICFO - The Institute of Photonic Sciences）博士后研究员刘鑫垚博士（来源：刘鑫垚）

高速照相机能够在瞬息万变的瞬间捕捉物体的运动。动作发生的时间越短，需要记录它的“快门”就越快，否则图像就会出现残影。从摄影的诞生到 19 世纪末，相机的曝光时间一直较长，无法记录高速运动的清晰图像。直到 1878 年，英国摄影师埃德沃德·迈布里奇（Eadweard J. Muybridge）拍摄到了赛马的照片，首次展示了马匹在奔跑时所有四蹄都同时离地的瞬间。要追踪这种高速运动，摄影技术必须提高其时间分辨率也就是快门速度，这可以让我们追踪人眼无法跟随的高速流逝过程。普通摄像机每秒拍摄 24 帧，即一秒内快门开合 24 次，而高速摄像机可以以小于 1/1000 秒的曝光或每秒超过 250 帧的速率来捕捉运动图像。这种技术对于记录闪电、爆炸等瞬时事件至关重要。

想要记录微观世界的变化，例如化学反应的瞬间、化学键的断裂和生成、分子的转动和振动过程，则需要更快速的快门即皮秒到飞秒量级（1 飞秒=10-15s）。而 2023 年的诺贝尔物理学奖得主们，则以更进一步的时间分辨率来观测电子尺度的运动。

北京时间 10 月 3 日下午 17 点 45 分许，美国俄亥俄州立大学教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德国马克斯·普朗克量子光学研究所教授费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）、以及瑞典隆德大学教授安妮·吕利耶（Anne L'Huillier）这三位实验物理学家，作为能够捕捉电子运动的“高速摄影师”，被授予 2023 年诺贝尔物理学奖，以表彰他们开发了能够产生阿秒光脉冲的实验方法，从而用于研究物质中的电子动力学。其中，Anne L'Huillier 也是历史上获得诺贝尔物理学奖的第五位女性。

要理解本次诺奖的意义，就必须掌握阿秒物理学的概念。阿秒（as）是一个极其短暂的时间单位，等于十的十八次方分之一秒 (10^-18)。1 秒内光传播 30 万千米，可以环绕地球约 7.5 次，而在 1as 时间内，光只能传播 0.3nm，一根头发丝的百万分之一都比这个距离要长。而阿秒光脉冲相当于快门时间在阿秒级别的高速摄影机。在这个极小的时间范围内，可以观察和控制原子和分子内电子的行为，从而加深对于电子运动过程的理解。

1987 年，Anne L'Huillier 成功观测到近红外激光诱导产生的高次谐波现象，迈出了阿秒物理学的第一步。她和同事在法国巴黎-萨克雷大学研究氩离子时，发现具有一定能量的皮秒激光脉冲与气体相互作用后，放出了激光频率奇次倍的一系列谐波，即高次谐波 [1]。在后续的理论研究中，他们也预测了高次谐波产生阿秒脉冲的可能性。1993 年，当时在加拿大国家研究委员会工作的物理学家保罗·科克姆（Paul Corkum）等人在理论上提出并发展了重要的电子再散射的三步模型（如图一所示）。

图一中的第一张小图指的是电子在强激光作用下的隧穿电离，成为自由电子。第二张小图指的是隧穿电离后的电子在外加激光电场的驱动下进行加速，半个光学周期后方向反转。第三张小图指的是加速电子在反向电场的作用下，以一定概率再回到电离的原子核附近并与之复合，在复合过程之中电子将以光的形式释放所积累的动能和电离能，进而表现为高次谐波。上述三步模型为深入理解强场物理过程及后期蓬勃发展起来的阿秒物理研究奠定了理论基础 [2，3]。

随后很多科学家意识到这些高频光子可被用来产生极短的光脉冲，并跟进了大量理论研究和实验研究，以验证其具备产生阿秒脉冲的可能。但是，人们还是无法确定仅有频域信息的高次谐波，能否在时域之中被证实是阿秒脉冲。

直至 2001 年，在法国巴黎-萨克雷大学和法国原子能委员会任职的 Pierre Agostini 和其所领导的团队，通过双光子、双色光电离来测量相位的方法，在时域中形成并成功测量了脉冲宽度为 250as、相邻脉冲间隔为 1.35fs 的阿秒脉冲串 [6]。

同年，当时在奥地利维也纳技术大学任职的 Ferenc Krausz 的研究小组首次产生并测量了孤立阿秒脉冲。在实验中，他将 800nm、40fs、1kHz、3mJ 的激光压缩到约 7fs 后聚焦到氖气上，成功产生并测量了 650as 的首个孤立阿秒脉冲，并用它来捕获原子内电子的运动 [7]。

整体来看，Anne L'Huillier 的贡献在于观测到近红外激光诱导下的产生高次谐波现象，为后续的阿秒脉冲的产生奠定了基础；Pierre Agostini 和 Ferenc Krausz 贡献在于成功产生阿秒脉冲，并首次确认其处于阿秒量级。

孤立阿秒脉冲也从最开始的 650as 被不断缩短，直到 2017 年美国中佛罗里达大学教授常增虎课题组得到了 53as 的孤立阿秒脉冲, 其光子能量达到碳 K 吸收边缘（284eV）。同年, 瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员同样利用长波长飞秒激光为驱动脉冲，产生了 43as 的孤立阿秒脉冲，也是迄今为止最短阿秒脉冲的世界纪录。

阿秒科学这一全新研究领域的开启, 为原子、分子、凝聚态物理、化学、生物等诸多学科的提供了更多的可能，让瞬时的物理过程变化得以呈现，也让我们了解到诸多原本未知的现象。

在生物化学领域，化学反应的本质都来自于原子尺度的电子运动，阿秒脉冲激光将有助于人们从根本上（电子运动方式的层面）弄清楚疾病产生的微观起因、形成和发展。在能源领域，阿秒脉冲激光助力于探测新材料中的电子和空穴之间的电荷转移机制，推进超导体、半导体的研究，提升太阳能电池的效率。阿秒脉冲现在还仅仅活跃在实验室阶段，我们能否造出高通量、高光子能量、高重复频率且稳定阿秒脉冲，从而达到能用在医药、半导体或化学领域的程度，还需要更多时间以及后续科学家更多的探索。

参考资料：

1.M. Ferray et al.,J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.21 L31 (1988).

2.P B.Corkum, Phys Rev Lett, 71: 1994–1997 (1993)

3. M. Lewenstein et al., Phys. Rev. A49, 2117 (1994)

4.C. Hernández García, Ph.D. Thesis (University of Salamanca, Spain) (2012).

5. 魏志义, 等. 阿秒脉冲产生的技术原理及进展. 科学通报, 66: 889–901(2021)

6.Science, 292, 1689, 2001

7.Nature,414, 509-513, 2001

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