今年的諾貝爾獎獲獎?wù)邆兝脤嶒灝a(chǎn)生了足夠短的閃光，可以拍攝超高速運(yùn)動電子的快照。安妮?呂利耶（Anne L'Huillier）發(fā)現(xiàn)了激光與氣體中原子相互作用產(chǎn)生的新效應(yīng)。皮埃爾?阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和費(fèi)倫茨?克勞茲（Ferenc Krausz）證明，這種效應(yīng)可以用來產(chǎn)生比以前更短的光脈沖。

一只小小的蜂鳥每秒可以拍打翅膀 80 次。對于這一現(xiàn)象我們只能感受到呼呼的聲音和模糊的動作。對于人類的感官來說，快速運(yùn)動是模糊的，肉眼無法觀測到極其短暫的事件。我們需要利用技術(shù)手段來捕捉或描繪這些非常短暫的瞬間。

高速攝影和頻閃燈使我們能夠捕捉瞬時現(xiàn)象的細(xì)節(jié)圖像。拍攝一張蜂鳥飛行過程的高清照片所需的曝光時間要比蜂鳥單次振翅的時間短得多。事件發(fā)生的速度越快，照片拍攝的速度就要越快，這樣才能捕捉到瞬間的畫面。

同樣的原理適用于所有用于測量或描繪快速過程的方法；任何測量方法所需的時間都必須比所研究的系統(tǒng)發(fā)生明顯變化所用的時間更短，否則結(jié)果就會模糊不清。今年的獲獎?wù)呃脤嶒烌炞C了一種產(chǎn)生超短脈沖光的方法，利用這種超短脈沖可以捕捉到原子和分子內(nèi)部演變的圖像。

原子的自然時間尺度短得令人難以置信。在分子中，原子的移動和轉(zhuǎn)動以千萬億分之一秒（飛秒）為單位。這些運(yùn)動可以用激光產(chǎn)生的最短脈沖進(jìn)行研究——但當(dāng)整個原子運(yùn)動時，其時間尺度是由原子內(nèi)部又大又重的原子核決定的，與光和輕巧靈活的電子相比，原子核的運(yùn)動極其緩慢。當(dāng)電子在原子或分子內(nèi)運(yùn)動時，它們的速度非?？?，以至于飛秒級的時間內(nèi)就會看不清它們的運(yùn)動。在電子的世界里，位置和能量的變化速率介于一到幾百阿秒之間，而一阿秒是一百億億分之一秒。

阿秒實在太短了，以至于一秒中的阿秒數(shù)量與宇宙誕生以來（138 億年）經(jīng)歷的秒數(shù)相同。為了對阿秒的時間尺度有一個更直觀的理解，我們可以想象一道閃光從房間的一端射向?qū)γ娴膲Ρ?，這需要 100 億阿秒。

飛秒長期以來被認(rèn)為是能夠產(chǎn)生閃光的時間極限。要想看到電子在超短時間尺度上發(fā)生的過程，僅改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)是不夠的，還需要開發(fā)全新的技術(shù)。今年的獲獎?wù)邆兊膶嶒為_辟了阿秒物理學(xué)這一新的研究領(lǐng)域。

原子和分子中電子的運(yùn)動速度非?？?，要用阿秒來測量。阿秒相對于秒就如秒相對于宇宙年齡。

高次諧波帶來的更短的脈沖

光是電場和磁場振動形成的電磁波，光在真空中移動的速度比任何東西都快。光具有不同的波長，對應(yīng)著不同的顏色。例如，紅光的波長約為 700 納米，相當(dāng)于頭發(fā)絲的百分之一，它意味著電磁場大約每秒完成四百三十萬億次周期振蕩。我們可以把最短的光脈沖看作是光波中一個周期的長度，即上升到波峰、下降到波谷、再回到起點的完整循環(huán)的長度。在這種情況下，普通激光系統(tǒng)中使用的光波長永遠(yuǎn)無法低于飛秒，因此在 20 世紀(jì) 80 年代，這被視為短波激光脈沖的硬性限制。
描述波的數(shù)學(xué)表明，如果使用足夠多不同波長和振幅（波峰和波谷之間的距離）的波，就可以構(gòu)建任何波形。阿秒脈沖的訣竅在于，可以通過組合更多和更短的波長來產(chǎn)生更短的脈沖。
在原子尺度觀察電子的運(yùn)動需要足夠短的光脈沖，這意味著需要結(jié)合許多不同波長的短波。
要產(chǎn)生新的更短波長，需要的不僅僅是激光；實現(xiàn)目前已有的最短光脈沖的關(guān)鍵是利用激光穿過氣體時產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。光與原子相互作用并產(chǎn)生高次諧波——在原始波的一個周期中完成多個完整周期的波。我們可以將其與聲學(xué)中賦予聲音特定特征的泛音進(jìn)行比較，這種泛音使我們能夠分辨吉他和鋼琴上演奏的相同音符之間的差異。
1987 年，法國實驗物理學(xué)家安妮?呂利耶和她的同事使用穿過惰性氣體的紅外激光束產(chǎn)生并證實了高次諧波。與之前實驗中使用的波長較短的激光相比，紅外光產(chǎn)生更多、更強(qiáng)的高次諧波。在這個實驗中，觀察到許多光強(qiáng)度差不多的高次諧波。

在 20 世紀(jì) 90 年代，安妮?呂利耶在一系列論文中繼續(xù)探索這種效應(yīng)，其中包括在她的新基地隆德大學(xué)的研究。她的研究結(jié)果有助于從理論上理解這一現(xiàn)象，并為下一次實驗突破奠定了基礎(chǔ)。

逃逸電子產(chǎn)生高次諧波

當(dāng)激光進(jìn)入氣體并影響其中的原子時，它會引起電磁振動，使原子核周圍束縛著電子的電場扭曲。然后電子可以從原子中逸出。然而，光的電場不斷振動，當(dāng)它改變方向時，逸出的電子可能會沖回其原子核。在電子的偏移過程中，它從激光的電場中收集了大量額外的能量，為了重新附著到原子核上，它必須以光脈沖的形式釋放多余的能量。這些來自電子的光脈沖產(chǎn)生了實驗中出現(xiàn)的高次諧波。

激光在氣體中與原子的相互作用

實驗上造出了激光的高次諧波，這促進(jìn)對它產(chǎn)生機(jī)理的研究。那么它到底是如何產(chǎn)生的？

光的能量與波長有關(guān)。高次諧波的能量相當(dāng)于紫外線，其波長比人眼可見的光短。因為能量來自激光場的振動，這個高次諧波的波長會恰好與原始泵浦激光脈沖的波長成正比。泵浦光與許多不同的原子相互作用后，產(chǎn)生了一系列不同的具有特定波長的高次諧波。
一旦產(chǎn)生了這些高次諧波，它們就會互相作用。當(dāng)這些波的波峰重合時，光會變得更強(qiáng)，而當(dāng)波峰與另一個周期的波谷重合時，光會變?nèi)?。在適當(dāng)?shù)那闆r下，高次諧波互相重合，產(chǎn)生了一系列紫外光脈沖，每個脈沖持續(xù)幾百阿秒。物理學(xué)家早在20世紀(jì)90年代就理解了這背后的理論，但直到2001年才在實驗產(chǎn)生和測試這些脈沖上取得了突破。

法國的皮埃爾?阿戈斯蒂尼和他的研究小組成功地制造并研究了一系列連續(xù)的光脈沖，這些光脈沖序列就像一列有許多節(jié)車廂的火車。他們使用了一種特殊的技巧，將 "脈沖列車"中靠后的脈沖與原始激光脈沖的延遲部分疊放在一起，以觀察高次諧波的相位如何匹配。這一過程也為他們提供了測量 "脈沖列車 "中脈沖持續(xù)時間的方法。他們看到每個脈沖僅持續(xù) 250 阿秒。
與此同時，奧地利的費(fèi)倫茨?克勞茲和他的研究小組在研究一種可以選擇單個脈沖的技術(shù)——就像一節(jié)車廂從一列火車上脫鉤并切換到另一條軌道上一樣。他們成功分離出的脈沖持續(xù)了 650 阿秒，研究小組用它來跟蹤和研究電子被拉離原子的過程。
這些實驗證明，阿秒脈沖是可以觀測和測量的，而且還可以用于新的實驗。
現(xiàn)在，阿秒世界的大門已經(jīng)向人們敞開，這些短脈沖光可以被用來研究電子的運(yùn)動。目前的技術(shù)可以產(chǎn)生短至幾十阿秒的脈沖，而且這種技術(shù)還在不斷發(fā)展。

電子運(yùn)動變得觸手可及

通過阿秒脈沖，我們可以測量電子從原子中激發(fā)出來所需的時間，并通過分析這個時間來得到電子與原子核結(jié)合的緊密程度。我們可以看到電子如何從原子核的一邊振動到另一邊或從一個位置振動到另一個位置，而以前我們只能測量電子在原子核中的平均位置。
阿秒脈沖可用來觀測并分辨物質(zhì)內(nèi)部不同的過程。這些脈沖已被用于探索原子和分子內(nèi)部的詳細(xì)物理過程，在電子學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有潛在應(yīng)用。
例如，阿秒脈沖可用于推動分子，從而發(fā)出信號，分子發(fā)出的這些信號有一種特殊的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)好像指紋一樣，可以讓我們分辨發(fā)出信號的分子種類。這種技術(shù)在醫(yī)療診斷等方面有潛在的應(yīng)用。

本文內(nèi)容翻譯自諾貝爾獎官方介紹材料，原網(wǎng)址：https://www.nobelprize.org

編輯：諾獎小分隊