用光“凝聚”最短的瞬间

刘霞

阿秒物理学给物理学家提供了观察电子运动的机会。图片｜诺贝尔奖官网

北京时间10月3日17时45分，瑞典皇家科学院宣布，2023年诺贝尔物理学奖花落美国俄亥俄州立大学的皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德国马克斯普朗克量子光学研究所和慕尼黑路德维希马克西米利安大学的费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）以及瑞典隆德大学的安妮·勒惠利尔（Anne LHuillier）。

这三位科学家展示了创建极短光脉冲——阿秒脉冲的方法，为人类探索原子和分子内部的电子世界提供了新的工具。勒惠利尔从激光与气体中原子的相互作用中发现了一种新的效应，阿戈斯蒂尼和克劳斯则证明，这种效应可以用来产生比以前更短的阿秒脉冲（1阿秒等于10的负18次方秒）。

诺贝尔物理学奖委员会主席伊娃·奥尔森认为，人们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学让科学家有机会了解电子控制的机制，也让人们能够进一步理解一些基本问题，例如爱因斯坦1921年获得诺贝尔物理学奖的光电效应的时间尺度。

光脉冲中的电子

一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次。我们只能将其视为嗡嗡声和模糊的运动。对于人类的感官来说，极短的事件不可能用肉眼观察到。因此我们才需要使用技术来捕捉或描绘这些非常短暂的瞬间。

高速摄影和闪光灯可以捕捉到转瞬即逝的现象的详细图像。拍摄飞行中的蜂鸟的照片需要的曝光时间比拍摄蜂鸟单次拍翅所需时间短。如此一来，事件发生得越快，想要捕捉这些超快瞬间，拍摄照片的速度也就要越快。

今年的获奖者开展的实验，正是展示了一种产生足够短光脉冲的方法，可用于捕获原子和分子内部过程的图像。

在一个分子中，原子的运动可以用激光产生的最短脉冲来研究；而当电子在原子或分子内部移动时，其速度如此之快，以至于其发生的变化在飞秒（千万亿分之一秒，10的负15次方秒）内变得模糊不清。在电子的世界中，位置和能量在一到几百阿秒内发生变化。

一阿秒如此短暂，以至于一秒包含的阿秒数量与宇宙自138亿年前诞生以来经历的秒的数量一样多。更贴切一点，我们可以想象，一束光从房间的一端到达对面墙上需要一百亿阿秒。

长期以来，飞秒一直被认为是可能产生的最短光脉冲的极限。改进现有技术并不足以看到电子在惊人短暂的时间尺度上发生的过程，做到这一点需要全新的技术。今年的获奖者进行的实验开辟了阿秒物理学的新研究领域。

“泛音”产生更短光脉冲

光是电场和磁场振动形成的电磁波，而且，光在真空中的速度比其他任何东西都快。不同光具有不同的波长，会呈现不同的颜色。例如，红光的波长约为700纳米，是一根头发丝宽度的百分之一，它以每秒约430万亿次的速度循环。

我们可以将最短的光脉冲视为光波中单个周期的长度，所谓一个周期即光波向上摆动到峰值，随后下降到谷值，然后回到起点的一个循环。在这种情况下，普通激光系统中使用的波长永远无法低于飞秒，因此在20世纪80年代，这被认为是硬性限制。

波的数学描述表明，使用大小、波长和振幅（波峰和波谷之间的距离）合适的波，可以构建任何波形。阿秒脉冲的诀窍在于，可以通过组合更多更短的波长来产生更短的脉冲。

要为光添加新波长，需要的不仅仅是激光，获得有史以来研究过的最短瞬间的关键是激光穿过气体时出现的现象。

1987年，勒惠利尔发现，当她将红外激光透过稀有气体时，会产生与以前实验中所不同的“泛音”。正是这些“泛音”，使我们能够捕捉到在吉他和钢琴上演奏相同音符時出现的差异。

每个“泛音”是激光中每个周期具有给定周期数的光波，它们由激光与气体中的原子相互作用引起，这些相互作用赋予一些电子额外的能量，这些额外的能量然后会以光的形式散射出去，而这些来自电子的光脉冲是“泛音”出现的原因。

2023年诺贝尔物理学奖得主，从左至右依次为皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·勒惠利尔。图片｜诺贝尔奖官网

一旦这些“泛音”存在，它们就会相互作用。当这些“泛音”光波的峰值相互重合时，光会变得更强烈，但当一个周期中的峰值与另一个周期的波谷重合时，光会变得不那么强烈。在适当的情况下，“泛音”重合，从而出现一系列紫外线脉冲，其中每个脉冲长达几百阿秒。

物理学家在20世纪90年代就明白了这背后的理论，但实际识别和测试脉冲的突破发生在2001年。

阿秒脉冲“现形记”

2001年，阿戈斯蒂尼及其在法国的同事，成功地产生并研究了一系列连续的光脉冲。他们使用一种特殊的技巧，将这些光脉冲与原始激光脉冲的延迟部分放在一起，以查看“泛音”如何彼此同步。这个过程让他们测量出每个脉冲只持续了250阿秒。

与此同时，克劳斯和其在奥地利的合作者研究出一种可以选择单个脉冲的技术，他们成功分离出的脉冲持续了650阿秒，该小组用它来跟踪和研究将电子从原子中拉出来的过程。这些实验表明，科学家们可以观察和测量阿秒脉冲，并且这些阿秒脉冲也可用于新实验。

现在科学家们已经可以管窥阿秒世界，这些短暂的光爆发可用来研究电子的运动。目前，科学家们已经可以制造出低至几十阿秒的脉冲，而且这项技术一直在发展。

阿秒脉冲可以测量电子脱离原子所需的时间——这一时间取决于电子与原子核结合的紧密程度。此外，阿秒脉冲可以重建在分子和材料内电子分布的变化——以前，科学家们只能用均值来测量电子的位置。

阿秒脉冲还可用于测试物质的内部过程，这一点已被用于探索原子和分子的物理学，有望在电子学和医学领域内“大显身手”。

◎ 来源|科技日报