2023 年 10 月 3 日北京時(shí)間 17 時(shí) 45 分許，2023 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)科學(xué)家皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），匈牙利裔奧地利科學(xué)家費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和法國(guó)/瑞典科學(xué)家安妮·呂利耶（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”。
皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），1968 年獲得法國(guó)艾克斯-馬賽大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)教授。
費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz），1962 年出生于匈牙利莫爾。1991 年獲得奧地利維也納科技大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任德國(guó)加興馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所所長(zhǎng)，德國(guó)慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)教授。
安妮·呂利耶（Anne L'Huillier），1958 年出生于法國(guó)巴黎。1986 年獲得法國(guó)巴黎皮埃爾和瑪麗居里大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任瑞典隆德大學(xué)教授。
光脈沖中的電子
今年的獲獎(jiǎng)?wù)咴趯?shí)驗(yàn)中創(chuàng)造了足夠短的閃光，可以拍攝極快的電子運(yùn)動(dòng)的快照。安妮·呂利耶（Anne L'Huillier） 發(fā)現(xiàn)了激光與氣體中原子相互作用的新效應(yīng)。皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）證明，這種效應(yīng)可以用來(lái)產(chǎn)生比以前更短的光脈沖。
一只小小的蜂鳥(niǎo)每秒可以拍打翅膀80次，然而在我們看來(lái)，只能感覺(jué)到嗡嗡的聲音和模糊的翅膀動(dòng)作。對(duì)于人類的感官來(lái)說(shuō)，快速的運(yùn)動(dòng)會(huì)變得模糊，而那些極短的事件則無(wú)法觀測(cè)到——我們需要依靠特別的技術(shù)來(lái)捕捉或描繪這些非常短暫的瞬間。借助高速攝影和閃光燈，我們得以捕捉到那些轉(zhuǎn)瞬即逝的現(xiàn)象的具體形貌。如果想要拍攝到飛行中蜂鳥(niǎo)的高清照片，那么就需要曝光時(shí)間比蜂鳥(niǎo)的單次振翅還要短得多。如果要捕捉到越快的事件，需要的拍攝速度也越快。
同樣的原理適用于所有用于測(cè)量或描述快速運(yùn)動(dòng)過(guò)程的方法：任何測(cè)量都必須比目標(biāo)系統(tǒng)發(fā)生明顯變化的時(shí)間更快，否則就只能得到模糊的結(jié)果。今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)咴趯?shí)驗(yàn)中展示了一種產(chǎn)生光脈沖的方法，這種脈沖足夠短，足以捕獲原子和分子內(nèi)部過(guò)程的圖像。
原子的自然時(shí)間尺度非常短。在分子中，原子可以在千萬(wàn)億分之一秒（飛秒）內(nèi)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，這些運(yùn)動(dòng)可以用激光產(chǎn)生的極短脈沖來(lái)研究。但當(dāng)整個(gè)原子運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)間尺度是由它們大而重的原子核決定的，與輕而靈活的電子相比，原子核的速度極其緩慢。當(dāng)電子在原子或分子內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，它們的移動(dòng)速度非常快，以至于在飛秒尺度下都無(wú)法清晰描述了。在電子世界中，位置和能量以一到幾百阿秒的速度變化，而阿秒是10-18秒。
一阿秒非常短，一秒鐘內(nèi)的阿秒數(shù)與138億年前宇宙誕生以來(lái)所經(jīng)過(guò)的秒數(shù)相同。舉一個(gè)離我們生活更近的例子，我們可以想象一束光從房間的一端發(fā)射到對(duì)面的墻壁——這需要100億阿秒。
一直以來(lái)，飛秒被認(rèn)為是可以產(chǎn)生的閃光的極限。只是改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)還不足以看到電子在極其短暫的時(shí)間尺度上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程——科學(xué)家需要一些全新的東西。而今年的獲獎(jiǎng)?wù)唛_(kāi)辟了阿秒物理學(xué)的全新領(lǐng)域。
電子在原子和分子中的運(yùn)動(dòng)非常快，測(cè)量尺度是阿秒量級(jí)。一秒鐘的一阿秒，就像宇宙年齡中的一秒一樣短。
高次諧波下更短的脈沖
光由波（電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的波動(dòng)）組成，它們?cè)谡婵罩械膫鞑ニ俣缺绕渌魏螙|西都快。不同波長(zhǎng)的光表現(xiàn)為不同顏色的色光。例如，紅光的波長(zhǎng)約為700納米，約為頭發(fā)絲寬度的百分之一，每秒振動(dòng)約430萬(wàn)億次。我們可以將最短的光脈沖視為光波中單個(gè)周期的長(zhǎng)度，也就是光波上升到波峰、下降到波谷、再回到起點(diǎn)的一個(gè)周期。在這種情況下，普通激光系統(tǒng)中使用的激光波長(zhǎng)永遠(yuǎn)無(wú)法低于飛秒量級(jí)，因此在 20 世紀(jì) 80 年代，這被視為對(duì)最短光脈沖的硬性限制。
根據(jù)波的數(shù)學(xué)原理，如果使用足夠多的具有合適波長(zhǎng)、頻率和振幅（波峰和波谷之間的距離）的波，我們可以構(gòu)建任意波形。而阿秒脈沖的訣竅在于，通過(guò)組合更多和更短的波來(lái)生成更短的脈沖。
電子的運(yùn)動(dòng)極快，因此如果想在原子尺度上觀察電子運(yùn)動(dòng)，就需要足夠短的光脈沖，這意味著需要組合許多不同波長(zhǎng)的短波。
要想產(chǎn)生有史以來(lái)最短波長(zhǎng)的光，我們需要的不僅僅是激光器，最關(guān)鍵的是理解激光穿過(guò)氣體時(shí)出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。當(dāng)激光與氣體中的原子相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種諧波——原始波中每個(gè)周期完成多個(gè)完整周期的波。我們可以將諧波與賦予聲音特定特征的泛音進(jìn)行比較，泛音使我們能夠聽(tīng)出吉他和鋼琴上演奏的相同音符之間的差異。
1987 年，法國(guó)一家實(shí)驗(yàn)室的安妮·呂利耶和她的同事利用穿過(guò)惰性氣體的紅外激光束演示了諧波的產(chǎn)生。與之前實(shí)驗(yàn)中使用的波長(zhǎng)較短的激光相比，紅外光產(chǎn)生的諧波更多且更強(qiáng)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們觀察到許多光強(qiáng)大致相同的諧波。
泛音對(duì)于基音中的每個(gè)周期都有多個(gè)周期。諧波在光波中的工作方式與泛音類似。
在 20 世紀(jì) 90 年代，呂利耶在隆德大學(xué)發(fā)表了一系列文章，繼續(xù)探索這種效應(yīng)。她的研究結(jié)果有助于從理論上理解這一現(xiàn)象，為下一次實(shí)驗(yàn)突破奠定了基礎(chǔ)。
逃逸電子產(chǎn)生諧波
當(dāng)激光進(jìn)入氣體并影響其原子時(shí)，它會(huì)引起電磁振蕩，扭曲原子核周圍電子的電場(chǎng)，可令電子從原子中逃逸出來(lái)。然而，激光的電場(chǎng)是持續(xù)振蕩的，當(dāng)它改變方向時(shí)，松散的電子可能會(huì)沖回原子核。在電子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，它從激光的電場(chǎng)中獲得了大量額外的能量。為了重新回到靠近原子核的基態(tài)，電子必須以光脈沖的形式釋放多余的能量。這些來(lái)自電子的光脈沖產(chǎn)生了實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的諧波。
激光與氣體中的原子相互作用
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了激光產(chǎn)生諧波的機(jī)制。它是如何工作的？
1、與原子核結(jié)合的電子通常不能從原子中逃逸，它沒(méi)有足夠的能量將自己從原子電場(chǎng)形成的勢(shì)阱中拉升出來(lái)。
2、原子受到激光脈沖的影響，其電場(chǎng)會(huì)發(fā)生扭曲。當(dāng)電子僅被狹窄的勢(shì)壘所束縛時(shí)，量子力學(xué)允許其隧穿并逃逸。
3、自由電子仍然受到激光電場(chǎng)的影響并獲得一些額外的能量。當(dāng)電場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)并改變方向時(shí)，電子會(huì)被拉回。
4、為了重新附著在原子核上，電子必須擺脫其在逃逸途中獲得的額外能量。這種能量以紫外線的形式發(fā)射，其波長(zhǎng)與激光場(chǎng)的波長(zhǎng)相關(guān)，并且根據(jù)電子移動(dòng)的距離而有所不同。
光的能量與其波長(zhǎng)相關(guān)。實(shí)驗(yàn)發(fā)射出的諧波中的能量與紫外線相當(dāng)，其波長(zhǎng)比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)短。由于能量來(lái)自激光的振蕩，因此諧波的振蕩將與原始激光脈沖的波長(zhǎng)形成了優(yōu)雅的比例。光與許多不同原子相互作用的結(jié)果是形成一組特定波長(zhǎng)的不同光波。
一旦這些諧波出現(xiàn)，它們就會(huì)相互作用。當(dāng)光波的峰值疊加時(shí)，產(chǎn)生的光就會(huì)變得更強(qiáng)，但當(dāng)一個(gè)光波的波峰與另一個(gè)的波谷疊加時(shí)，產(chǎn)生的光就不那么強(qiáng)。在適當(dāng)?shù)那闆r下，諧波重合，從而出現(xiàn)一系列紫外光脈沖，其中每個(gè)脈沖的周期為幾百阿秒。物理學(xué)家在 20 世紀(jì) 90 年代就理解了其背后的理論，但真正的突破發(fā)生在 2001 年，那時(shí)，科學(xué)家才真正識(shí)別并測(cè)試了這種脈沖。
用最短的光脈沖探索電子世界：當(dāng)激光穿過(guò)氣體時(shí)，氣體中的原子會(huì)產(chǎn)生紫外光諧波。在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些諧波可能是同步的。當(dāng)它們的周期重合時(shí)，就會(huì)形成集中的阿秒脈沖。實(shí)驗(yàn)設(shè)置示例：激光被分成兩束，其中一束用于產(chǎn)生一系列阿秒脈沖。然后將該脈沖序列添加到原始激光脈沖中，并將該組合用于執(zhí)行極其快速的實(shí)驗(yàn)。
皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和他在法國(guó)的研究小組成功地制造出了一系列連續(xù)的、像是多個(gè)車廂串聯(lián)的火車一樣的光脈沖，并對(duì)其進(jìn)行了研究。他們使用了一種特殊的技巧，將這個(gè)“脈沖列車”與原始激光脈沖的延遲部分放在一起，以查看諧波如何彼此同步。他們還測(cè)量了“脈沖列車”中脈沖的持續(xù)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)每個(gè)脈沖僅持續(xù) 250 阿秒。
與此同時(shí)，費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和他在奧地利的研究小組正在研究一種可以挑選單個(gè)脈沖的技術(shù)——就像將火車上的一個(gè)車廂脫開(kāi)并將其切換到另一條軌道一樣。他們成功分離出了持續(xù) 650 阿秒的脈沖，該小組用它來(lái)跟蹤和研究電子脫離原子束縛的過(guò)程。
這些實(shí)驗(yàn)證明阿秒脈沖可以被觀察和測(cè)量，并且它們也可以用于新的實(shí)驗(yàn)。
現(xiàn)在阿秒世界已經(jīng)觸手可得，這些短脈沖光可以用來(lái)研究電子的運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)在可以產(chǎn)生低至幾十阿秒的脈沖，并且這項(xiàng)技術(shù)一直在發(fā)展。
電子的運(yùn)動(dòng)變得容易理解
阿秒脈沖可以測(cè)量電子被拉離原子所需的時(shí)間，并檢驗(yàn)電子與原子核結(jié)合的緊密程度如何決定該時(shí)間的長(zhǎng)短。我們可以在原子和材料中重建電子分布，讓電子從一側(cè)振蕩到另一側(cè)，或從一個(gè)位置振蕩到另一個(gè)位置；在此之前，電子的位置只能用平均值來(lái)衡量。
阿秒脈沖可用于測(cè)試物質(zhì)的內(nèi)部過(guò)程，并識(shí)別不同的事件。這些脈沖已被用來(lái)探索原子和分子物理學(xué)的細(xì)節(jié)，并在電子、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
例如，阿秒脈沖可用于推動(dòng)分子，從而發(fā)出一個(gè)可測(cè)量的信號(hào)。來(lái)自分子的信號(hào)具有特殊的結(jié)構(gòu)，這是一種可以揭示其“身份”的指紋，在醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域都可能具有潛在應(yīng)用。
