從飛秒到阿秒，亞原子世界的隱私越來越暴露

10月3日，2023年的諾貝爾物理學(xué)獎揭曉，皮埃爾·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、費倫茨·克勞斯(Ferenc Krausz) 和安妮·盧利爾(Anne L’Huillier)，以表彰“為研究物質(zhì)中的電子動力學(xué)而產(chǎn)生阿秒光脈沖的實驗方法”。

阿秒是時間單位，1毫秒是千分之一秒，1納秒是十億分之一秒，而1阿秒是1納秒的十億分之一。以距離衡量的話，光在1阿秒的時間內(nèi)傳播的距離連1納米的三分之一都不到，和原子的直徑差不多。

喜歡觀看球賽的人都知道慢鏡頭能夠更清晰地呈現(xiàn)運動過程，鏡頭越慢對快門速度就有更高的要求。微觀世界中原子、電子的運動蘊含著豐富的奧妙，弄清楚亞原子粒子的運動對探尋很多領(lǐng)域的規(guī)律及開拓新的應(yīng)用有很大的幫助，而這需要有非常高的相機快門速度。

1999年諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給埃及科學(xué)家艾哈邁德·澤維爾，以表彰他用飛秒化學(xué)技術(shù)對化學(xué)反應(yīng)過程進行的研究。化學(xué)反應(yīng)中，從反應(yīng)物到生成物中間存在一個過渡態(tài)，澤維爾用的飛秒（1飛秒等于1000阿秒）技術(shù)相當(dāng)于制造出當(dāng)時世界上快門速度最快的照相機，得益于快門的速度，澤維爾得到了化學(xué)反應(yīng)過程中清晰的圖像。澤維爾的工作使人類能夠觀察到化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵打開和形成的瞬間。同時飛秒技術(shù)引出的新科學(xué)超快化學(xué)、超快物理、超快生物學(xué)。

激光功率的大幅提高使得超短、超強的激光脈沖能夠聚焦很大的能量，其電場強度之大能夠遠超原子核附近的電場。這樣人類就可以改變及控制原子核外電子的運動，進而改變和控制物質(zhì)的性質(zhì)。用經(jīng)典物理即可計算出氫原子中電子繞原子核轉(zhuǎn)動一周所用的時間是152阿秒，很多情景中電子的運動時間尺度可能只有幾十阿秒甚至幾阿秒，這就使得人類對更短的激光脈沖阿秒脈沖有了需求。

為了獲得更短的阿秒脈沖，需要有更短的載波波長，短到需要從光產(chǎn)生的理論上有突破。傳統(tǒng)的理論是電子在能級間躍遷釋放出光子，這種躍遷產(chǎn)生的電磁波一個周期一般要在一個飛秒以上，難以產(chǎn)生更短的阿秒光脈沖。加拿大物理學(xué)家保羅·科克姆（Paul Corkum）用激光將電子電離、加速后再回核，這樣即可輻射出高能量的光子。科克姆的工作為阿秒脈沖的獲得發(fā)揮了很大作用，可能是受獲獎人數(shù)的限制，科克姆沒能分享到諾貝爾獎。

數(shù)學(xué)分析表明，任何波形都可以由足夠多的不同波長及振幅的波疊加而成，以此為訣竅組合很多波長較短的波即可構(gòu)建波長更短的阿秒脈沖。安妮·盧利爾用紅外激光穿過惰性氣體產(chǎn)生出更多更強的高次諧波。皮埃爾·阿戈斯蒂尼和費倫茨·克勞斯各自以此為基礎(chǔ)制造出幾百阿秒的脈沖信號，那是當(dāng)時最短的激光脈沖。目前幾十個阿秒的激光脈沖能夠經(jīng)常出現(xiàn)在一些實驗室中。

飛秒激光脈沖開拓了很多領(lǐng)域，阿秒激光脈沖定會在同樣的領(lǐng)域創(chuàng)造出更多更有價值的應(yīng)用。亞原子世界中電子繞核的運動、原子的電離、化學(xué)鍵的形成等等將會更加清晰地呈現(xiàn)出來，微觀世界的神秘面紗會在阿秒技術(shù)的幫助下慢慢揭開。