用阿秒光脈沖探索微觀世界

曉陽

在量子世界的神秘舞臺上，阿秒光脈沖技術如同一道閃耀的星光，照亮了科學家們探索微觀物質世界的道路。這個引人注目的新工具，以其獨特的方式，開啟了量子物理學研究的新篇章。安妮·呂利耶、皮埃爾·阿戈斯蒂尼和費倫茨·克勞斯，這三位杰出的科學家，因為他們在阿秒光脈沖發展中的卓越貢獻，獲得了2023年的諾貝爾物理學獎。

阿秒，是指一百億億分之一秒。這個時間如此短暫，以至于光在1阿秒內僅能前進0.3納米，而光在1秒內卻能行走30萬千米。這種難以想象的瞬間，恰似閃電劃破夜空，轉瞬即逝。

光脈沖是光源按著一定時間間隔時斷時續發光，而阿秒光脈沖由超級短暫的閃光構成。它是科學家們手中的利器，用以探索瞬息萬變的微觀世界。阿秒光脈沖的特點是短暫到極致，卻足以揭示微觀世界的奧秘。

與此同時，阿秒光脈沖還擁有驚人的能量密度和精細的波長控制。這使得科學家們能夠輕松地操控和探測微觀粒子。而在能量傳輸方面，阿秒光脈沖的強大瞬間功率更是展現出了其巨大的潛力。它的極短持續時間使得它在瞬間產生極高能量，有望成為未來能源領域的重要選擇。

光是電場與磁場振動而形成的電磁波，它的振動頻率受到物理極限的約束。正是這種自然規律的限制，光脈沖的最短持續時間無法低于1飛秒，這是20世紀80年代時科學界的普遍共識。要跨越這道時間之樊籬，阿秒光脈沖的追求者們明白，僅靠改良現有技術是遠遠不夠的，更需要開拓全新的技術領域。

每一項新技術皆非憑空而降，它們都是在前人的智慧與努力中孕育的，阿秒光脈沖也不例外，它的誕生基于飛秒光脈沖。飛秒與阿秒，雖一字之差，卻有千倍的時間差。科學家通過精密的計算，大膽推測：我們可以巧妙地利用多個飛秒光脈沖組合，來實現阿秒光脈沖。

這個猜想的關鍵在于，讓飛秒光脈沖與原子相互作用，激發出高次諧波。這是一種能量之波，一種在原始波的一個周期中完成多個完整周期的波。它如同分割飛秒的節奏，分割得越多，越可能產生阿秒光脈沖。

呂利耶的主要研究領域是原子與短強激光脈沖的相互作用，這為她的阿秒光脈沖成就奠定了堅實的基礎。早在1987年，呂利耶就在法國原子能委員會的實驗室里，用一束紅外激光穿過惰性氣體，產生了預期的高次諧波。與以往實驗中使用的波長較短的激光相比，紅外激光生成的高次諧波更多、更強。

但呂利耶并沒有止步于此，她繼續在后續的實驗中深入探索這種效應。這些實驗為阿秒光脈沖的產生鋪平了道路。1992年，她在瑞典隆德大學參與安裝了歐洲第一批飛秒脈沖鈦藍寶石固態激光系統。11年后，也就是2003年，她帶領的團隊創造了170阿秒的光脈沖，打破了世界紀錄。

呂利耶是一位性格溫和、內斂的女科學家，然而她的內心充滿了對生活的熱愛。繁忙的科研之余，她對葡萄酒的制作工藝頗有研究，能夠準確地辨別不同葡萄酒的年份。她在科研生涯中，不僅為對物理學的理解做出了巨大的貢獻，而且也為阿秒光脈沖的產生和應用開辟了新的領域。

在呂利耶開展關于高次諧波的卓越研究之后，其他科學家也開始投身于識別與測試阿秒光脈沖的實驗。真正的突破發生在2001年，法國物理學家阿戈斯蒂尼的研究團隊成功地制造并研究了一系列連續的光脈沖。他們運用了一種獨特的技術，將光脈沖系列中靠后的光脈沖與原始激光脈沖的延遲部分疊加起來，以探索高次諧波的物理特性。這一過程也讓他們找到了測量光脈沖持續時間的方法，結果他們探測到了持續時間為250阿秒的光脈沖。

與此同時，奧地利物理學家克勞斯的研究小組正在研究一種可以控制單個阿秒光脈沖的技術，就像一節車廂從火車上脫離并切換到另一條軌道上。他們成功地在阿秒光脈沖系列中分離出單個脈沖，并讓其持續了650阿秒。利用這種“單體”阿秒光脈沖，克勞斯成功地觀察到電子從原子中被拉出的過程。這個實驗標志著阿秒物理學的誕生。

呂利耶、阿戈斯蒂尼和克勞斯三位科學家的連續突破顯示，科學家們不僅能夠生成阿秒光脈沖設備，還能夠對其進行觀測和測量。他們對阿秒光脈沖的研究成果吸引了科學界的大量關注，并在2002年被著名的學術期刊《科學》和《自然》同時評為世界“十大科學突破”之一。

阿秒光脈沖（紅色）擊中納米玻璃球，激發出單個電子（綠色）

科學家們費盡心血去產生那些轉瞬即逝的阿秒光脈沖，究竟有何深遠意義呢？為了探索微觀世界中的物質構造，他們甘愿化身為超級英雄，與光并肩奔跑，用肉眼無法看清的超快速度去揭示物質的奧秘。

對于原子來說，它們的運動速度以飛秒為單位，快得令人咋舌。然而，與電子相比，原子的運動還是如同蝸牛一般緩慢，因為電子運動的時間尺度是阿秒。為了看清閃電俠的抬腿換步，我們需要與其同步。

阿秒光脈沖的出現，如同給科學家們配置了超級英雄的超視裝備，讓他們能夠看清原子內部的微觀世界。由于其極短的持續時間和極高的能量密度，阿秒光脈沖可以用來研究物質在極短時間內的行為和性質。這對于理解物質的微觀結構和動力學特性具有重要的科學價值。

如今，阿秒物理學的大門已經敞開，阿秒光脈沖的應用也越發廣泛。在材料科學領域，阿秒光脈沖可以用于研究超快現象，揭露超導材料的微觀秘密。在能源領域，阿秒光脈沖可以用于研究光子和電子的相互作用，為開發更高效的太陽能電池提供關鍵信息。在生物學領域，阿秒光脈沖可以用于研究光合作用過程中電子的轉移和分配過程，從而更好地理解和利用生物系統的能源轉換機制。

此外，阿秒光脈沖還涉足量子世界的疆域，擔當起量子信息處理和量子計算的重任。阿秒光脈沖，憑借其獨特的性質，可作為量子比特的操縱工具，因此在量子計算和信息處理的舞臺上發揮著舉足輕重的作用。這個領域的發展被寄予厚望，它有可能引領下一場科技革命，創造出更為強大且高效的信息處理和通信技術。

阿秒光脈沖是人類智慧的結晶，為探索自然、理解世界打開了一扇全新的大門。我們堅信，隨著時間的推移，這項技術將在更多領域展現出更大的價值。在這個信息化、量子化的時代，阿秒光脈沖如同一道閃耀的星光，照亮了科學家們探索未知世界的道路。

阿秒光脈沖可跟蹤材料中電子的運動軌跡

研究人員現在能夠塑造阿秒光脈沖的電場

1958年出生于法國，1979年獲法國豐特奈高等師范學校碩士學位，1986年獲法國巴黎第六大學博士學位，1986年任法國原子能委員會光子、原子暨分子服務處永久研究員，1995年任瑞典隆德大學副教授，1997年任瑞典隆德大學教授。

1941年7月出生于突尼斯，1961年獲法國艾克斯-馬賽大學學士學位，1968年獲法國艾克斯-馬賽大學博士學位，1969年進入法國原子能委員會巴黎薩克雷大學分會工作，2004年任美國俄亥俄州立大學物理系教授。

1962年5月出生于匈牙利，1991年獲奧地利維也納工業大學激光物理學博士學位，1996年任維也納工業大學電氣工程助理教授，1999年任維也納工業大學電氣工程教授，2004年至今任德國慕尼黑大學教授。