從飛秒到阿秒，亞原子世界的隱私越來越暴露

10月3日，2023年的諾貝爾物理學獎揭曉，皮埃爾·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、費倫茨·克勞斯(Ferenc Krausz) 和安妮·盧利爾(Anne L’Huillier)，以表彰“為研究物質(zhì)中的電子動力學而產(chǎn)生阿秒光脈沖的實驗方法”。

阿秒是時間單位，1毫秒是千分之一秒，1納秒是十億分之一秒，而1阿秒是1納秒的十億分之一。以距離衡量的話，光在1阿秒的時間內(nèi)傳播的距離連1納米的三分之一都不到，和原子的直徑差不多。

喜歡觀看球賽的人都知道慢鏡頭能夠更清晰地呈現(xiàn)運動過程，鏡頭越慢對快門速度就有更高的要求。微觀世界中原子、電子的運動蘊含著豐富的奧妙，弄清楚亞原子粒子的運動對探尋很多領域的規(guī)律及開拓新的應用有很大的幫助，而這需要有非常高的相機快門速度。

1999年諾貝爾化學獎頒發(fā)給埃及科學家艾哈邁德·澤維爾，以表彰他用飛秒化學技術對化學反應過程進行的研究。化學反應中，從反應物到生成物中間存在一個過渡態(tài)，澤維爾用的飛秒（1飛秒等于1000阿秒）技術相當于制造出當時世界上快門速度最快的照相機，得益于快門的速度，澤維爾得到了化學反應過程中清晰的圖像。澤維爾的工作使人類能夠觀察到化學反應中化學鍵打開和形成的瞬間。同時飛秒技術引出的新科學超快化學、超快物理、超快生物學。

激光功率的大幅提高使得超短、超強的激光脈沖能夠聚焦很大的能量，其電場強度之大能夠遠超原子核附近的電場。這樣人類就可以改變及控制原子核外電子的運動，進而改變和控制物質(zhì)的性質(zhì)。用經(jīng)典物理即可計算出氫原子中電子繞原子核轉(zhuǎn)動一周所用的時間是152阿秒，很多情景中電子的運動時間尺度可能只有幾十阿秒甚至幾阿秒，這就使得人類對更短的激光脈沖阿秒脈沖有了需求。

為了獲得更短的阿秒脈沖，需要有更短的載波波長，短到需要從光產(chǎn)生的理論上有突破。傳統(tǒng)的理論是電子在能級間躍遷釋放出光子，這種躍遷產(chǎn)生的電磁波一個周期一般要在一個飛秒以上，難以產(chǎn)生更短的阿秒光脈沖。加拿大物理學家保羅·科克姆（Paul Corkum）用激光將電子電離、加速后再回核，這樣即可輻射出高能量的光子。科克姆的工作為阿秒脈沖的獲得發(fā)揮了很大作用，可能是受獲獎人數(shù)的限制，科克姆沒能分享到諾貝爾獎。

數(shù)學分析表明，任何波形都可以由足夠多的不同波長及振幅的波疊加而成，以此為訣竅組合很多波長較短的波即可構建波長更短的阿秒脈沖。安妮·盧利爾用紅外激光穿過惰性氣體產(chǎn)生出更多更強的高次諧波。皮埃爾·阿戈斯蒂尼和費倫茨·克勞斯各自以此為基礎制造出幾百阿秒的脈沖信號，那是當時最短的激光脈沖。目前幾十個阿秒的激光脈沖能夠經(jīng)常出現(xiàn)在一些實驗室中。

飛秒激光脈沖開拓了很多領域，阿秒激光脈沖定會在同樣的領域創(chuàng)造出更多更有價值的應用。亞原子世界中電子繞核的運動、原子的電離、化學鍵的形成等等將會更加清晰地呈現(xiàn)出來，微觀世界的神秘面紗會在阿秒技術的幫助下慢慢揭開。