阿秒光源：一臺(tái)捕捉電子運(yùn)動(dòng)的“相機(jī)”

阿秒，目前人類掌握的最小時(shí)間分辨尺度。阿秒級(jí)的運(yùn)動(dòng)不管你如何盯著看，都無(wú)法看到它，因?yàn)樗某掷m(xù)時(shí)間實(shí)在太短了，只有百億億分之一秒。

8 月21 日至22 日，香山科學(xué)會(huì)議第658 次學(xué)術(shù)討論會(huì)聚焦阿秒光源前沿科學(xué)與應(yīng)用?？萍既?qǐng)?bào)記者從會(huì)上了解到，決定物質(zhì)基本性質(zhì)的超快電子運(yùn)動(dòng)通常發(fā)生在阿秒量級(jí)的時(shí)間尺度，要想觀測(cè)到電子運(yùn)動(dòng)這種超快過(guò)程，就需要超高速攝影技術(shù)，而阿秒光源就是一種捕捉電子運(yùn)動(dòng)的超快光學(xué)技術(shù)。

人眼的視覺(jué)暫留時(shí)間一般為0.1 ～0.4 s，當(dāng)物體的快速運(yùn)動(dòng)過(guò)程短于0.1 s 時(shí)，受眼睛時(shí)間分辨率的限制，人們無(wú)法看清其運(yùn)動(dòng)過(guò)程。就像高速攝像機(jī)記錄轉(zhuǎn)瞬即逝的快速變化過(guò)程，人們用慢動(dòng)作回看一樣。對(duì)于原子內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)，也需要一個(gè)超高速相機(jī)將其記錄下來(lái)。

2001 年，奧地利科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了阿秒脈沖的產(chǎn)生，使人類得以深入原子結(jié)構(gòu)內(nèi)部觀測(cè)并記錄電子運(yùn)動(dòng)，超快科學(xué)及技術(shù)的發(fā)展迎來(lái)了阿秒時(shí)代。阿秒脈沖就是持續(xù)時(shí)間在阿秒量級(jí)的超短閃光，而阿秒光源是集阿秒脈沖產(chǎn)生、測(cè)量及應(yīng)用于一體的大型科學(xué)裝置。如果將阿秒光源比作一臺(tái)相機(jī)，那么阿秒脈沖就是這個(gè)相機(jī)的“快門(mén)”。

作為21 世紀(jì)初誕生的一種新型光源，阿秒光源具有寬頻譜、窄脈寬、高光子能量、高時(shí)空相干性等優(yōu)點(diǎn)，由于其脈寬與原子內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)尺度相當(dāng)，因此為人類認(rèn)識(shí)微觀世界提供了全新手段。

“阿秒光源為物理、化學(xué)、生物和材料科學(xué)超快過(guò)程的研究和高時(shí)空分辨率成像提供了嶄新的技術(shù)，為了解化學(xué)反應(yīng)和人工光合作用、生物結(jié)構(gòu)特性及生命機(jī)理、新材料合成等重大科學(xué)問(wèn)題提供了解決方法，并有望引發(fā)新的科技革命。如發(fā)展新一代超高速電子器件和信息處理技術(shù)、提升太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率和揭示腫瘤病變機(jī)理等。”會(huì)議召集人、中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員趙衛(wèi)說(shuō)道。

經(jīng)過(guò)近20 年的發(fā)展，人們已經(jīng)成功將阿秒技術(shù)應(yīng)用于原子、分子、納米體系甚至固體中超快電子運(yùn)動(dòng)的測(cè)量和調(diào)控研究，為諸多潛在應(yīng)用開(kāi)辟了嶄新的道路。例如，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，癌癥作為世紀(jì)難題，當(dāng)前普遍認(rèn)為其誘因是紫外輻射導(dǎo)致的DNA 損傷，但受限于現(xiàn)有的技術(shù)手段，該推論無(wú)法得到確認(rèn)。DNA 分子由原子構(gòu)成，而原子又包含電子和原子核，借助阿秒脈沖，科學(xué)家就有可能在更微觀、更基礎(chǔ)的層面看清DNA 損傷內(nèi)在的電子運(yùn)動(dòng)過(guò)程，理清紫外輻射導(dǎo)致的DNA 損傷與腫瘤癌變的生理關(guān)聯(lián)，這無(wú)疑將使癌變的預(yù)防、診斷及治療更加有的放矢。

正因?yàn)榘⒚牍庠此哂械闹卮髴?yīng)用前景，目前，美國(guó)、加拿大、韓國(guó)、日本、澳大利亞、新加坡及歐洲諸國(guó)都將阿秒科學(xué)作為重點(diǎn)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究?jī)?nèi)容，歐盟在匈牙利塞格德建造的極端光設(shè)施阿秒光源已于今年7月初宣布開(kāi)放運(yùn)行，韓國(guó)浦項(xiàng)阿秒光源也已立項(xiàng)實(shí)施?！拔覈?guó)科學(xué)家也緊跟國(guó)際超快科學(xué)前沿，早在2000 年前后就開(kāi)始了阿秒科學(xué)與技術(shù)的探索研究，并取得了有國(guó)際影響的系列重要成果。”會(huì)議執(zhí)行主席之一、中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員魏志義說(shuō)。