10月3日，諾貝爾獎委員會(hui) 宣布，將2023年諾貝爾物理學獎授予阿秒激光領域3位物理學家皮埃爾·阿戈斯蒂尼( Pierre Agostini)、費倫(lun) 茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和安妮·盧利爾（Anne L Huillier），以表彰他們(men) “為(wei) 研究物質中的電子動力學而產(chan) 生阿秒光脈衝(chong) 的實驗方法”所作出的貢獻。這也是對激光實驗技術特別是超快激光技術突破成就的又一次獎勵。

　　從(cong) 時間域觀察微觀粒子動力學特性

　　一個(ge) 閃光過程，可以描述為(wei) 一個(ge) 光脈衝(chong) 。

　　所謂阿秒光脈衝(chong) ，是指持續時間僅(jin) 在阿秒量級，即100億(yi) 億(yi) 分之一（10^-18）秒的光脈衝(chong) 。人們(men) 所說的“快如閃電”，其實，最快的閃電所持續的時間也僅(jin) 在百分之一到千分之一秒左右。由此，阿秒究竟有多短多快，以人們(men) 宏觀的體(ti) 驗是難以想象的。光在1阿秒時間內(nei) 所能傳(chuan) 輸的距離僅(jin) 有0.3納米，約相當於(yu) 3個(ge) 氫原子的直徑。如果將1阿秒比之於(yu) 1秒，那就相當於(yu) 1秒之於(yu) 宇宙約140億(yi) 的年齡。
 

　　目前，利用最先進的電子顯微鏡，人們(men) 已經能夠看到原子的圖像，這是自然科學從(cong) 空間域研究物理現象與(yu) 規律的巨大進步。人們(men) 已知，組成物質世界的分子、原子及電子都處在絕對的運動之中，那麽(me) 如何從(cong) 時間域觀察這些粒子的運動即發生在微觀世界的動力學特性，也是人們(men) 研究並認識物理現象與(yu) 規律的另外一個(ge) 重要方麵。1999年，美國加州理工學院埃裔科學家A. H. Zewail教授因首次用飛秒脈衝(chong) 研究化學反應動力學的工作獨享諾貝爾化學獎。

　　一般來說，分子的振動及原子的運動在皮秒到飛秒的量級，用飛秒脈衝(chong) 就可以研究不同分子及原子的動力學過程。但對於(yu) 原子內(nei) 繞核運動的電子，其時間在阿秒量級，如氫原子中電子繞核一周的時間約為(wei) 152阿秒。原子結構模型是奠定現代物理學大廈的重要基石，也是量子力學的重要成就，但一直以來缺少對這一理論模型的實驗測量。阿秒光脈衝(chong) 的出現，第一次為(wei) 人們(men) 測量並控製電子的運動提供了前所未有的手段。由於(yu) 核外電子運行是物理、化學、生物等不同學科都需要共同麵對的基本科學問題，因此阿秒光脈衝(chong) 的出現，在多個(ge) 學科的前沿研究及應用方麵都有著重要的科學意義(yi) 及實際價(jia) 值。

　　迎來超快科學阿秒時代

　　追蹤阿秒光脈衝(chong) 的產(chan) 生，與(yu) 高次諧波（high-order harmonic generation, HHG）密不可分。

　　當激光作用於(yu) 非線性晶體(ti) 時，在特定的條件下會(hui) 產(chan) 生二次諧波，也就是所謂的倍頻。通常，這種效應需要滿足相位匹配條件，並需要激光有一定的強度。不同於(yu) 常規激光，超短脈衝(chong) 激光由於(yu) 對應高的峰值功率及強度，因此當與(yu) 物質相互作用時，即使沒有相位匹配的條件，也會(hui) 激發出許多不同特性的非線性效應，如多光子效應、閾上電離、自相位調製等。1988年，法國原子和表麵物理研究所的A. L' Huillier及M. Ferray等人在已有非線性效應研究的基礎上，采用脈衝(chong) 36ps、峰值功率約1GW的Nd:YAG激光與(yu) Ar、Kr等原子氣體(ti) 相互作用，觀察到了波長延伸至近30nm的極紫外HHG，並發現這種諧波具有兩(liang) 個(ge) 典型的特征：一是諧波均為(wei) 入射激光頻率的奇次倍；二是諧波均由下降區、平台區及截止區3個(ge) 部分組成。這種極紫外相幹輻射的產(chan) 生，為(wei) 人們(men) 獲得具有高光子能量的短波長激光提供了一種緊湊而經濟的新方案。

　　不久之後，匈牙利固體(ti) 物理研究所的G. Farkas和C. Toth等人通過理論分析指出HHG是產(chan) 生阿秒脈衝(chong) 的可行方式，有望獲得100阿秒的超快激光。1993年，加拿大國家研究院的P. Corkum教授提出了三步模型理論，對其物理機製進行了合理而完美的解釋，在其後的研究中也進一步得出高次諧波具有阿秒脈寬的特性。

產(chan) 生高次諧波的原理示意圖（引自Luis Plaja et al; Attosecond Physics-Attosecond--Attosecond Measurements and Control of Physical Systems, Springer Press, 2013）

　　那麽(me) 如何通過HHG實現阿秒脈衝(chong) 呢？

　　當時人們(men) 麵臨(lin) 著複雜的技術問題，一是HHG的效率極低，二是需要在真空中傳(chuan) 輸，三是沒有成熟的時間測量技術。因此在以實驗結果為(wei) 依據的物理研究中，無法證明所產(chan) 生的HHG具有阿秒脈寬。

　　直到跨入新世紀的2001年，首先由法國與(yu) 荷蘭(lan) 的聯合研究團隊在皮埃爾·阿戈斯蒂尼的主導下，在采用40fs的鈦寶石放大激光與(yu) Ar氣相互作用產(chan) 生HHG的基礎上，通過時間飛行電子譜儀(yi) （TOP）及微通道板（MCP）測量隨延時變化的光電離電子，得到了脈衝(chong) 寬度為(wei) 250阿秒、相鄰脈衝(chong) 間隔為(wei) 1.35飛秒的阿秒脈衝(chong) 串。但是，這種阿秒脈衝(chong) 串在應用中存在很大的局限性，實際的應用研究需要孤立的單阿秒脈衝(chong) 。

　　時隔不久，由時在維也納技術大學的F. Krausz教授領銜的一個(ge) 更為(wei) 強大的研究團隊與(yu) P. Corkum教授等合作，在用7fs的飛秒鈦寶石放大激光驅動Ne氣產(chan) 生HHG的基礎上，采用互相關(guan) 測量濾波後的極紫外光在Kr氣中產(chan) 生的光電子動量分布，證明了150阿秒的時間分辨測量能力，獲得了650阿秒的單個(ge) 孤立阿秒脈衝(chong) ，並成功用以Kr原子內(nei) 電子運動的測量。該結果的實現，標誌著超快科學阿秒時代的來臨(lin) ，次年被《自然》和《科學》雜誌共同評選為(wei) 年度十大科學進展之一。

250阿秒脈衝(chong) 串測量結果（引自P.M.Paul et al; SCIENCE VOL 292, 1689 (2001)）

產(chan) 生孤立單阿秒脈衝(chong) 的實驗示意圖（引自F.Krausz and M.Ivanov, Attosecond physics, Rev of Mod Phys, Vol.81, No.1 (2009)）

　　未來高新技術產(chan) 業(ye) 創新發展策源地

　　隨著孤立阿秒脈衝(chong) 的出現，人們(men) 進一步發展了不同的選通及測量技術，並推動了最短阿秒脈衝(chong) 的不斷進展。如美國中佛羅裏達大學常增虎教授的課題組先後於(yu) 2012年及2017年兩(liang) 次打破阿秒激光脈衝(chong) 的世界紀錄，分別得到了67阿秒及53阿秒的孤立阿秒脈衝(chong) 結果。歐盟也在匈牙利建設了以阿秒脈衝(chong) 激光為(wei) 平台的極端光科學設施ELI-ALPS。

　　阿秒光脈衝(chong) 的出現，為(wei) 超快科學打開了更高分辨率的研究大門，通過測量控製電子的動力學特性，為(wei) 進一步推動原子分子物理、凝聚態物理、化學、生物等諸多學科的創新發展提供前所未有的手段，可望對諸多物理現象的研究取得新認識，如超導的機理、磁學中自旋交換的本質、半導體(ti) 中電子和空穴之間的電荷轉移機製。

　　由於(yu) 物理、生物、化學等領域中的許多現象的本質都來自於(yu) 原子內(nei) 電子的運動，因此，在醫學領域，阿秒脈衝(chong) 激光將有助於(yu) 人們(men) 從(cong) 根本上弄清包括疾病在內(nei) 的微觀起因和形成過程，並用以新藥開發的指導。在能源領域，通過阿秒脈衝(chong) 對材料中的電子運動過程的研究，可望提升光伏電池的效率。在信息領域，通過阿秒脈衝(chong) 對材料電學性質的控製，已能實現PHz的開關(guan) 速率，相比目前CPU普遍僅(jin) GHz的時鍾頻率，有望帶來信息處理及計算的革命，這些激動人心的工作，不僅(jin) 是前沿基礎科學的熱點，也是與(yu) 未來高新技術產(chan) 業(ye) 密切相關(guan) 的內(nei) 容。當然，目前阿秒脈衝(chong) 主要還在實驗室發展階段，進一步的發展還需要科學家與(yu) 工程技術人員的共同努力。

　　（作者：魏誌義(yi) ，中國科學院物理研究所二級研究員。首次在國內(nei) 實現阿秒脈衝(chong) 的產(chan) 生測量，多項工作曾打破世界紀錄。迄今發表SCI論文400餘(yu) 篇。曾任國際純粹與(yu) 應用物理聯合會(hui) （IUPAP）、馬科斯-普朗克阿秒科學中心（MPC-AS）、國際阿秒物理委員會(hui) 、亞(ya) 洲強激光委員會(hui) 等學術機構成員，多次擔任該領域國際會(hui) 議的主席及共主席。以第一完成人獲國家技術發明二等獎及中國科學院科技進步二等獎、科技促進二等獎等獎項。中國科學院青年科學家獎（2001）、國家傑出青年基金（2002）、胡剛複物理獎（2011）獲得者，先後當選美國光學學會(hui) fellow，中國光學學會(hui) 及中國光學工程學會(hui) 會(hui) 士。）