如今，對於(yu) 微觀世界，空間分辨率已經可以達到原子分子尺度，其對應的運動特征時間也達到了超快的飛秒（femtosecond，10^-15秒）量級，目前比較成熟的飛秒脈衝(chong) 激光已經能夠探測分子間運動，使其不再神秘。

但分子內(nei) 部的電子運動，其動力學過程發生在更快的阿秒（attosecond，10^-18秒）量級。

電子早在19世紀便由劍橋大學的約瑟夫·約翰·湯姆森在實驗中發現，距今百餘(yu) 年，由於(yu) 運動速度過快，其運動過程仍無法直接探測，長期以來隻能以電子雲(yun) 的概念來描述它在原子核外空間某處出現的幾率大小。電子雲(yun) 模型能夠很好地解釋化學鍵的形成與(yu) 斷裂、原子吸收與(yu) 發射光子的光譜以及原子的性質等現象，並且符合量子力學原理，但在解釋很多微觀粒子運動規律時出現了障礙，需要發展更為(wei) 準確的模型。

今年，諾貝爾物理學獎頒發給“阿秒激光”，其原由為(wei) 促進了物質中電子動力學的研究，阿秒激光的研製成功，首次將探索世界的時間尺度推進到阿秒量級，人類第一次可能擁有直接測量電子動力學行為(wei) 的工具。

阿秒是什麽(me) 概念？

阿秒僅(jin) 僅(jin) 為(wei) 10^-18秒，如果說光從(cong) 地球跑到月球的時間大約需要1秒，而在1阿秒時間內(nei) ，光隻能傳(chuan) 輸0.3納米，約為(wei) 頭發絲(si) 直徑的二十萬(wan) 分之一。

今年獲獎的三位科學家，美國科學家皮埃爾•阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），匈牙利科學家費倫(lun) 茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和法國科學家安妮•呂利耶（Anne L’Huillier）在實驗上為(wei) 阿秒激光的產(chan) 生做出了巨大貢獻。

女科學家安妮•呂利耶在博士期間就一直在研究多光子電離效應，並在1988年，30歲之前就發表了獲得諾貝爾獎的關(guan) 鍵論文，發現了強激光照射惰性氣體(ti) 產(chan) 生高次諧波的現象，並獲得了高次諧波典型的頻譜結構，其譜寬已經能夠支持阿秒量級的脈衝(chong) ，為(wei) 激光脈衝(chong) 突破至阿秒提供了先決(jue) 性條件。

在高次諧波發展十餘(yu) 年後，皮埃爾•阿戈斯蒂尼於(yu) 2001年利用高次諧波並結合RABBIT技術（雙光子幹涉的阿秒拍頻重構，reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions），實現了一係列脈衝(chong) 間距為(wei) 1.35 fs、脈衝(chong) 寬度僅(jin) 為(wei) 250 as阿秒脈衝(chong) 的產(chan) 生與(yu) 測量，稱為(wei) 阿秒脈衝(chong) 串。

而在同一年，費倫(lun) 茨·克勞斯利用更短的飛秒驅動光來產(chan) 生高次諧波連續譜，並利用阿秒條紋相機技術首次產(chan) 生並測量了孤立的阿秒脈衝(chong) 。

至此，阿秒激光時代正式來臨(lin) 。

圖：高次諧波、阿秒脈衝(chong) 串與(yu) 阿秒脈衝(chong) 之間的關(guan) 係

諾貝爾獎隻頒給了上述三位科學家，但仍有不少學者在初期做出貢獻。 

早在1987年，A. McPherson等人在實驗上測量了惰性氣體(ti) 中的高次諧波，是最早公開發表高次諧波現象的論文。同年，M. Yu. Kuchiev等提出了“原子天線”的理論解釋，認為(wei) 電子在母核附近往返振蕩發射諧波，其物理圖像類似於(yu) 天線。

1992年，J. L. Krause，K. J. Schafer和K. C. Kulander提出了高次諧波過程的重碰撞圖像，稱之為(wei) simple-man模型，考慮電子在激光場中的經典運動，並由此得出諧波的最高截止能量。

2022年獲得沃爾夫物理學獎的加拿大科學家Paul Corkum在1993年提出了半經典的三步模型，在一個(ge) 經典的重碰撞圖像中，高次諧波過程分為(wei) 以下三步：首先，電子隧穿離開由原子庫侖(lun) 場和激光場共同形成的勢壘，隨後電子在激光場作用下加速並獲得能量。隨著激光場方向的改變，電子有一定機會(hui) 返回母核並被俘獲，以高能光子的方式釋放出多餘(yu) 的能量產(chan) 生諧波，三步模型很直觀地描述了高次諧波的產(chan) 生過程，而Corkum也成為(wei) 了本次諾貝爾物理學獎的最大遺珠。

對高次諧波過程的定量描述，則需要借助量子力學。基於(yu) 強場近似的詳細量子理論於(yu) 1994年由M. Lewenstein等人給出，通常被稱作強場近似或者Lewenstein模型。實際上，強場近似的思想來自於(yu) 早先對強激光場中原子和固體(ti) 電離的研究，在1965年由L. Keldysh首次提出，隨後被F. H. M. Faisal和H. R. Reiss進行了拓展。直到今天，Keldysh參數都是阿秒領域研究人員非常熟悉的一個(ge) 重要參數，用以判斷激光參數是否能夠達到阿秒脈衝(chong) 產(chan) 生的要求，不幸的是L. Keldysh已於(yu) 2016年去世。Lewenstein模型完全從(cong) 量子力學出發，得到了前述三個(ge) 過程的對應理論描述，驗證並夯實了三步模型的理論基礎。至此，該模型被廣泛接受並得到了充分發展，成為(wei) 產(chan) 生阿秒脈衝(chong) 的高次諧波過程的標準模型。

我國阿秒激光的研究總體(ti) 起步較晚，一直處於(yu) 追趕狀態，但近些年有顯著進展，相關(guan) 研究也進入了國際先進水平。 

2013年，中國科學院物理研究所實現了160 as的孤立阿秒脈衝(chong) 。此後，華中科技大學和國防科技大學在2020年相繼實現了272 as、88 as的孤立阿秒脈衝(chong) 。

2019年，中國科學院西安光機所自主研製了高能量分辨阿秒條紋相機，產(chan) 生和測量了159 as的孤立阿秒脈衝(chong) ，並在2021年產(chan) 生了更短的75 as孤立阿秒光脈衝(chong) ，刷新了國內(nei) 的阿秒脈衝(chong) 紀錄。

此外，國內(nei) 研究機構包括中國科學院上海光機所、中國科學院精密測量科學與(yu) 技術創新研究院、北京大學、華東(dong) 師範大學、吉林大學、南京理工大學、中國科學院近代物理研究所、西北師範大學等在阿秒激光理論以及應用方麵都有重要成果報道。

當前，超快激光技術正朝著更高脈衝(chong) 能量、更高平均功率、更窄脈衝(chong) 寬度的目標發展。未來，激光脈衝(chong) 寬度將從(cong) 阿秒（as）縮短至仄秒（zs），光子能量將推進至硬X射線和伽馬射線波段。此外，阿秒激光能量太低，是限製其應用的最主要原因，在可預測的未來，超快激光領域再次獲諾貝爾獎將從(cong) 高能量阿秒新機理、阿秒應用以及下一個(ge) 量級的仄秒脈衝(chong) 中產(chan) 生。

2021年《Science》發布的“全世界最前沿的125個(ge) 科學問題”中有十餘(yu) 個(ge) 問題需要通過超快科學探索解決(jue) 。例如，複雜激光場中的多體(ti) 量子相互作用；超導機製--電子庫珀對的形成；太陽能電池的光轉換--電荷轉移激子解離過程；生物分子之間的電荷轉移過程；實現PHz開關(guan) ，將現有的電路響應速度提高100000倍以上等，上述問題都直接與(yu) 電子動力學相關(guan) 。

阿秒脈衝(chong) 將有望在多個(ge) 科學和應用研究領域湧現出眾(zhong) 多原始創新。當前，國際上已經開始阿秒激光設施的建設和競爭(zheng) ，由諾貝爾物理獎獲得者Gérard Mourou等人倡導，歐盟率先開展了歐洲極端光設施-阿秒光源（ELI-ALPS）的建設，並推動了歐洲相關(guan) 激光公司的技術跨代升級。