物理学诺奖得主将人类带进阿秒时代

生活中，相机帮人们捕捉稍纵即逝的瞬间。在科研世界中，为了“看清”微观的电子运动，科学家们也够拼——使用的“相机”“卷”到了新级别，“快门”比眨眼的速度还要快上无数倍。

北京时间2023年10月3日傍晚，瑞典皇家科学院宣布，将2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和安妮·吕利耶（Anne L’Huillier），以表彰他们将产生阿秒光脉冲的实验方法用于研究物质的电子动力学。

阿秒光脉冲是什么？这三位科学家是怎么获得阿秒光脉冲的？普通人的生活会因为阿秒光脉冲发生什么改变吗？潮新闻带你一起来捋捋。

诺奖获得者简笔画图片来自：瑞典皇家科学院

阿秒光脉冲是什么？

先来了解这些光学知识

阿秒有多短？答案是，1阿秒之于1秒，相当于1秒之于宇宙的年龄。

什么事件会发生在阿秒级别的时间里？答案是，原子和分子内部的电子运动。

就像看清奔跑的马蹄需要快门够快的相机，如果想要捕捉到电子运动在短暂片刻里的特征，也需要特殊的技术。阿秒光脉冲就相当于可用于电子观测的“相机”，可以帮助人类了解电子运动的特征。

了解阿秒光脉冲的产生，要从光学说起。

在光学领域，人们看到的太阳光由七色光组成。之所以光有不同的颜色，是因为它们频率不同。“当一种光入射到水面或玻璃上，频率不会发生改变，颜色也不会发生改变，这是光的线性传播现象。”浙江大学物理系教授武慧春介绍。

但当光的强度提高，例如把激光入射到晶体中，激光频率会呈现整数倍增加，发生所谓的光学倍频现象，光的颜色也随之改变，这是光的非线性传播现象。利用这一特征，人类可以获得不同强度的激光。

一般情况下，激光频率增加的倍数很难达到十倍以上。但如果激光够强，通过气体时，会得到频率增加几十甚至百倍以上的高次谐波。

“而只有在极短的时间内，利用极强的激光，才会产生高次谐波，高次谐波中就包含了阿秒光脉冲。超短超强激光是获得高次谐波和阿秒光脉冲的技术前提。”武慧春说。

在研究中，安妮·吕利耶，以及皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯三位科学家分别观察到了高次谐波现象，并在实验中分别成功产生了阿秒光脉冲。

而这些成果，就可以用于提供原子和分子内部电子运动的图像。因此，他们被授予2023年诺贝尔物理学奖。

1阿秒的时间尺度示意图图片来自：瑞典皇家科学院

获得阿秒光脉冲

三位科学家有何贡献？

这项成果来自于三位科学家分别于1987年和2001年的持续研究。

今年65岁的安妮·吕利耶是一位法国、瑞典物理学家。1987年，安妮·吕利耶在实验中提升激光强度，将红外激光光线射入惰性气体时，观察到极红外光变成了极紫外光。

这一结果不一般。

“过去科学家们实现激光频率变换时，激光频率提升十倍以上效率太低以至于没有实际意义。但此次研究得到的结果，得到的激光频率增加了几十倍。”浙江大学物理系教授武慧春介绍。

这是科学界首次观测到高次谐波产生现象，具有阿秒的时间特性。

“这超出人们的预料，也带给人们激动人心的结果，点燃了科学家对其进一步研究的热潮。”中国科学院物理研究所研究员魏志义表示。

安妮·吕利耶的研究，为随后获得阿秒光脉冲奠定了基础。

到了2001年，皮埃尔·阿戈斯蒂尼成功地产生并研究了一系列连续的阿秒脉冲串，其中每个脉冲仅持续250阿秒。

与此同时，出生于匈牙利的科学家费伦茨·克劳斯进行了另一种类型的实验，得到了隔离持续650阿秒的单个光脉冲。

“后者也是国际上第一个孤立的阿秒光脉冲，由此产生的高次谐波效率很高，已经跨入了深紫外光波段。费伦茨·克劳斯为了得到它，发明了一些新的光学元件，在这方面具有不可替代的贡献。”武慧春表示。

阿秒光脉冲装置示意图 图片来自：瑞典皇家科学院

多领域存在潜在应用空间

科学的世界没有尽头

对于阿秒光脉冲获得今年的诺贝尔奖，接受采访的两位专家都表示，为这一领域感到高兴。

2006年到2008年间，武慧春曾到德国进行博士后研究，就是在费伦茨·克劳斯的大课题组里。“他搞实验，我搞理论，虽然交集不多，但印象中，他对阿秒实验产生及物理应用一直很专注和痴迷，他试图把他独有的阿秒光脉冲用于更多的物理化学过程中。” 

魏志义表示，利用阿秒光脉冲在时间上够短够快的特征，可以帮人类探索发生在物质内部的微观动力学，认识物质世界的规律。

对于获奖成果，瑞典皇家科学院物理学诺贝尔委员会主席Eva Olsson表示，“现在可以打开电子世界的大门，阿秒物理学为我们提供了理解由电子掌控的机制的机会。下一步，将是利用它们。”

阿秒光脉冲在许多不同领域都存在潜在应用。例如，人类有可能利用阿秒光脉冲驱动芯片中的电子运动，让芯片的工作效率更高。

阿秒光脉冲还可以用于识别不同的分子，如果运用在医学诊断中，阿秒光脉冲可以帮助人类进行疾病诊断。

“虽然离这些应用还有一定距离，还需要攻克许多基础问题，但是这带给了人类更多想象的空间。”武慧春还表示，过去20年里，费伦茨·克劳斯利用自研阿秒光脉冲的设备，发现了很多别的现象，不断拓展对物质世界的认知。

也许，如武慧春所言，科学的世界没有尽头，只要登上一座座山峰，总有不一样的风景。