微观世界的“超级快门”——阿秒光脉冲

● 文/林宽雨

每年随着诺贝尔奖的公布，火的不仅是获得诺贝尔奖的人，一些我们可能从来没听说过的名词也会名气暴涨。比如，这次因为诺贝尔物理学奖而备受关注的“阿秒光脉冲”。相信很多同学在各大新闻上看到“阿秒光脉冲”这个词时，都会心生疑惑：这到底是什么？今天，我们就来聊聊“阿秒光脉冲”，让大家对这个陌生的名词有更多的了解。

什么是阿秒光脉冲

想知道什么是阿秒光脉冲，我们得先来了解一下阿秒。阿秒是个时间单位，只不过相对于我们熟悉的时、分、秒，它非常短。根据换算关系，1 阿秒等于10-18秒。这么说，同学们可能还意识不到阿秒有多短。打个比方，假如有人能在1 阿秒的时间内前进1 米，那么他在1 秒钟的时间里将前进100 亿亿米。而阿秒光脉冲指的就是一种脉冲时间达到阿秒级别的光脉冲。

阿秒光脉冲“召唤术”

阿秒级，如此短瞬间的光脉冲真的能被人们“召唤”出来吗？答案是肯定的，诺贝尔奖评选委员会已经帮我们验证过了。至于阿秒光脉冲是如何被人们“召唤”出来的，还要从飞秒光脉冲和此次诺贝尔物理学奖得主之一的法国物理学家安妮•吕利耶说起。

飞秒光脉冲是一种脉冲时间在10-15秒量级的光脉冲，在阿秒光脉冲被人们发现之前，“最短的光脉冲”的桂冠一直属于飞秒光脉冲。1987 年，安妮•吕利耶在利用飞秒光脉冲照射稀有气体后，发现这些稀有气体会发出一系列的高次谐波光，这些谐波光可以帮助人们“召唤”出更短的光脉冲，为人们“召唤”阿秒光脉冲奠定了基础。2001 年，获得今年诺贝尔物理学奖的另外两位物理学家皮埃尔•阿戈斯蒂尼和费伦茨•克劳斯在前人研究的基础上，分别“召唤”出了时长为250 阿秒和650 阿秒的光脉冲。从此，阿秒光脉冲走进了人们的视野。值得一提的是，中国科学院物理研究所的魏志义课题组在2013 年也“召唤”出了阿秒光脉冲，让我国在阿秒光脉冲领域占据了一席之地。

天下武功，唯快不破

科学家之所以热衷于“召唤”阿秒级的光脉冲，是因为他们深知一个道理——天下武功，唯快不破。如果还没有破，那就说明还不够快。举个例子，我们拍摄蝴蝶扇动翅膀时，能比较容易地拍到清晰的照片。但拍摄蜂鸟时，照片上蜂鸟的翅膀很可能是一片模糊。会出现这种情况，主要是因为蜂鸟扇动翅膀的频率比蝴蝶快很多。想在蜂鸟扇动翅膀时拍到清晰照片，就得用比蜂鸟扇动翅膀更快的速度按下快门。同样，科学家想要研究那些运动速度很快的物质，也需要按下时间更短的“快门”，也就是时间单位级别更短的光脉冲。尤其是在科学家把目光投向微观世界后，发现这里的粒子都在以极高的速度“狂奔”，如果不利用时间单位级别更小的光脉冲，根本看不清楚这些粒子的运动轨迹。

在科学家的不懈努力下，我们前面提到的飞秒光脉冲被“召唤”出来。飞秒光脉冲的出现为科学家关注微观世界中的原子运动提供了很大帮助，埃及化学家艾哈迈德•泽维尔还因应用飞秒激光闪光成像技术观测到分子中的原子在化学反应中是如何运动的，获得了1999 年诺贝尔化学奖。然而，在微观世界里，原子的运动速度并不是最快的，能帮助科学家看清原子运动轨迹的飞秒光脉冲，却拿比原子运动速度更快的电子没什么办法。为了更清楚地观测微观世界，科学家只能向比飞秒更小的时间单位发起冲击。

阿秒光脉冲的贡献

费伦茨·克劳斯（中）

阿秒光脉冲的出现不仅实现了科学家观测电子运动轨迹的愿望，同时也促成了更多高科技的出现。比如，费伦茨•克劳斯及其团队利用和阿秒光脉冲相关的探测技术及一些其他高科技，开发出电场分子指纹技术。这种技术可以探测生物流体内分子成分的变化，有望成为一种新的体外诊断分析技术，为保护我们的身体健康作出贡献；加州大学伯克利分校的研究组及合作者们利用和阿秒光脉冲相关的技术，探测到半导体材料硅中电子的行动等。未来，和阿秒光脉冲相关的技术还有望帮助人们精确设计和控制化学反应的方向，得到想要的物质；让绝缘物质变身成导电物质；在更短的时间内计算处理大量信息……

阿秒光脉冲是人类智慧的结晶，是人类探索未知领域的一个重要突破。相信，未来阿秒光脉冲会在更多领域体现它的价值，为人类的美好生活贡献更多力量，让我们拭目以待吧！