阿秒：让人类看到更精微的世界

2023年诺贝尔物理学奖授予了美国俄亥俄州立大学名誉教授皮埃尔·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）和瑞典隆德大学教授安妮·吕利耶（Anne L'Huillier）。瑞典皇家科学院指出，他们“证明了一种制造极短光脉冲——阿秒脉冲的方法，这种方法可用于测量原子和分子内部的电子运动或改变能量过程的速度，为人类探索电子世界提供了新工具”。

什么是阿秒

人类在对自然界瞬态过程的探索中，陆续达到了毫秒（10-3秒）、微秒（10-6秒）、纳秒（10-9秒）、皮秒（10-12秒）和飞秒（10-15秒）的时间分辨。纳秒、皮秒和飞秒量级的脉冲激光器相继于1962年、1966年和1974年被研发出来。到了1980年，更低噪声、更高稳定性且如今应用最广泛的钛蓝宝石激光器问世。1999年，艾哈迈德·泽维尔因“用飞秒光谱学对化学反应过渡态的研究”获得了诺贝尔化学奖。2018年诺贝尔物理学奖授予了超强超短激光的啁啾脉冲放大技术的发明者，啁啾脉冲放大技术是实现高强度飞秒激光脉冲的关键技术之一。

皮秒可以观测到分子的运动，飞秒可以观测到化学反应中原子的运动，如果要更进一步观察电子及原子核内的运动过程，就需要更小的时间单位。这时候出现了一个新的时间单位——阿秒。阿秒是人类目前已知的最小的时间单位。阿秒有多短暂呢？1阿秒是10-18秒。1阿秒之于1秒，相当于1秒之于宇宙的年龄（138亿年）。光1秒传播的距离可以绕地球7.5圈，而光在l阿秒内只能从水分子的一端传播到另一端。阿秒光脉冲是人类目前所掌握的最快的时间尺度。相干光脉冲从皮秒进步到阿秒，不仅是时间尺度的进步，更重要的是，将人们研究物质结构的能力从分子、原子运动推进到了原子内部的运动。

阿秒技术影响众多领域

在医学领域，阿秒相机可以帮助医生对微观病灶进行精确诊断和治疗：阿秒光脉冲可以用于发现早期癌症指标。

在材料科学领域，阿秒技术可以用来研究材料的微观结构和性质，从而推动新型材料的发现和应用。

在能源科学领域，科学家可以通过阿秒技术提高能源利用效率并实现可持续发展。

在化学领域，基于阿秒光脉冲技术，科学家有望精确设计和控制化学反应的方向，减少副产物的产生。

在物理学领域，科学家可以通过阿秒光脉冲将绝缘物质变成导电物质。

在电子学领域，科学家可以通过阿秒技术催生更强大的计算机芯片，实现更快速的量子计算。在量子计算中，量子比特之间的相互作用非常关键，而阿秒级别的计时可以更好地揭示这些相互作用。

此外，阿秒计时技术可以帮助科学家更精确地测量时间，进一步揭示物质和能量之间的相互作用。这对于基础科学研究、精密计时、导航定位等领域具有重要意义。正如诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森所说：“我们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会了解控制电子的机制，下一步将是更好地利用它们。”

（龙海涛／文，据微信公众号“百科知识”2023年12月28日）

超快激光领域的未来

未来，激光脉冲宽度将从阿秒缩短至仄秒，光子能量将推进至硬X射线和伽马射线波段。此外，阿秒激光能量太低，是限制其应用的最主要原因，在可预测的未来，超快激光领域再次获诺贝尔奖将从高能量阿秒新机理、阿秒应用及下一个量级的仄秒脉冲中产生。

2021年《Science》发布的“全世界最前沿的125个科学问题”中，有10余个问题需要通过超快科学探索解决。例如：复杂激光场中的多体量子相互作用；超导机制一电子库珀对的形成；太阳能电池的光转换一电荷转移激子解离过程；生物分子之间的电荷转移过程；实现PHz开关，将现有的电路响应速度提高10万倍以上；等等。上述问题都直接与电子动力学相关。

阿秒脉冲将有望在多个科学和应用研究领域涌现出众多原始创新。当前，国际上已经开始进行阿秒激光设施的建设和竞争。

（佚名／文，据微信公众号“中国科学院西安光机所”2023年10月21日）

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科技、科学、速度、发展、进步、影响等。