就像我們(men) 用光來觀察周圍的宏觀世界一樣，我們(men) 也可以用光來探測亞(ya) 原子世界。但必須遵守一個(ge) 原則：任何測量都必須快於(yu) 被研究係統發生明顯變化所需的時間，否則隻能得到模糊的結果。

在一個(ge) 分子中，原子在飛秒(千萬(wan) 億(yi) 分之一秒，10^-15秒)時間尺度內(nei) 運動，其位置和能量在1到幾百阿秒內(nei) 發生變化，要對其運動進行測量，飛秒技術“愛莫能助”。

阿秒有多短暫呢？1阿秒是10^-18秒，也就是十億(yi) 分之一秒的十億(yi) 分之一。1阿秒之於(yu) 1秒，相當於(yu) 1秒之於(yu) 宇宙的年齡(138億(yi) 年)。一束光從(cong) 房間的一邊到達對麵牆上，就需要100億(yi) 阿秒。

阿秒脈衝(chong) “現形記”

如何讓光脈衝(chong) 達到阿秒量級？理論上，可通過組合多個(ge) 波長的短波長激光脈衝(chong) 來產(chan) 生更短的光脈衝(chong) 。

中國科學院物理研究所研究員魏誌義(yi) 向科技日報記者解釋道：“要產(chan) 生新的波長不僅(jin) 需要飛秒激光驅動，還需要聚焦到氣體(ti) ，通過光與(yu) 氣體(ti) 原子的相互作用產(chan) 生所謂的高次諧波，高次諧波是在驅動激光的一個(ge) 周期中，產(chan) 生兩(liang) 個(ge) 周期的波。”

1987年，呂利耶及其同事將一束紅外激光聚焦到惰性氣體(ti) ，結果發現產(chan) 生的諧波比之前用較短波長激光驅動所產(chan) 生的諧波更多、更強，並且觀測到的許多諧波具有相似的光強。

進一步研究發現，在適當情況下，諧波重合後會(hui) 出現一係列紫外波段的激光脈衝(chong) ，其中每個(ge) 脈衝(chong) 時長僅(jin) 幾百阿秒。

2001年，阿戈斯蒂尼及其在法國的同事成功產(chan) 生了一係列僅(jin) 持續250阿秒的脈衝(chong) 串。費倫(lun) 茨·克勞斯和其在奧地利的夥(huo) 伴們(men) 則另辟蹊徑，成功隔離出持續時長650阿秒的單個(ge) 孤立光脈衝(chong) ，而且用其跟蹤和研究了將電子從(cong) 原子中“拉”出來的過程。

“正是以這3位科學家為(wei) 代表的研究人員曆時十幾年的工作，通過聰明才智和不懈努力，使超快科學邁入了阿秒時代。”魏誌義(yi) 說。

有望在多個(ge) 領域“大顯身手”

一隻小小的蜂鳥每秒可以拍打翅膀80次，用人眼是無法看清的，但用高速攝像機就可將其動作定格成一幀幀清晰的畫麵。

“阿秒光脈衝(chong) 正是研究微觀物質世界的‘高速攝像機’，可將‘狂飆’的電子定格下來進行觀察。”魏誌義(yi) 滿懷希望地表示，“在(阿秒)如此短的時間尺度上研究和理解電子，有望促進超高速電子學的快速發展，有朝一日可能催生更強大的計算機芯片。它還使我們(men) 能夠根據分子的電子特性來區別分子，並用於(yu) 快速準確的疾病診斷。”

據魏誌義(yi) 介紹，目前國際上除上述研究團隊外，美國、加拿大、意大利、瑞士、日本、韓國等國家的多個(ge) 研究團隊也一直在開展關(guan) 於(yu) 阿秒脈衝(chong) 的產(chan) 生及其在物理、化學、生物等諸多領域的應用研究。

“如美國中佛羅裏達大學常增虎教授團隊先後於(yu) 2012年及2017年兩(liang) 次創造了最短阿秒脈衝(chong) 的世界紀錄，瑞士聯邦技術大學於(yu) 2017年創造的43阿秒脈衝(chong) 迄今仍保持著目前最短的世界紀錄。特別是歐盟在匈牙利建設了以阿秒激光為(wei) 主體(ti) 內(nei) 容的極端光設施(ELI-ALPS)，用以提供不同領域的科學家開展阿秒科學研究”。對於(yu) 阿秒領域的成果，魏誌義(yi) 如數家珍。

阿秒光脈衝(chong) 的研究也得到中國科學家的廣泛重視。中國科學院物理研究所、上海光機所、西安光機所、北京大學、華東(dong) 師範大學、國防科技大學、華中科技大學等單位都在開展阿秒科學的研究。2013年，魏誌義(yi) 課題組首次在國內(nei) 產(chan) 生並測得了160阿秒的孤立阿秒脈衝(chong) ，目前正在進一步朝著更短脈寬、更高能量及更高重複頻率的方向發展，結合終端設備，為(wei) 阿秒激光在凝聚態物理、原子分子物理、化學、生物醫學、信息、能源等領域的研究提供國際領先的平台與(yu) 設施。

(記者 劉 霞)