阿秒激光:為“狂飆”的電子攝影
——解讀2023年諾貝爾物理學獎
就像我們用光來觀察周圍的宏觀世界一樣,我們也可以用光來探測亞原子世界。但必須遵守一個原則:任何測量都必須快于被研究系統(tǒng)發(fā)生明顯變化所需的時間,否則只能得到模糊的結(jié)果。
在一個分子中,原子在飛秒(千萬億分之一秒,10^-15秒)時間尺度內(nèi)運動,其位置和能量在1到幾百阿秒內(nèi)發(fā)生變化,要對其運動進行測量,飛秒技術(shù)“愛莫能助”。
阿秒有多短暫呢?1阿秒是10^-18秒,也就是十億分之一秒的十億分之一。1阿秒之于1秒,相當于1秒之于宇宙的年齡(138億年)。一束光從房間的一邊到達對面墻上,就需要100億阿秒。
阿秒脈沖“現(xiàn)形記”
如何讓光脈沖達到阿秒量級?理論上,可通過組合多個波長的短波長激光脈沖來產(chǎn)生更短的光脈沖。
中國科學院物理研究所研究員魏志義向科技日報記者解釋道:“要產(chǎn)生新的波長不僅需要飛秒激光驅(qū)動,還需要聚焦到氣體,通過光與氣體原子的相互作用產(chǎn)生所謂的高次諧波,高次諧波是在驅(qū)動激光的一個周期中,產(chǎn)生兩個周期的波。”
1987年,呂利耶及其同事將一束紅外激光聚焦到惰性氣體,結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的諧波比之前用較短波長激光驅(qū)動所產(chǎn)生的諧波更多、更強,并且觀測到的許多諧波具有相似的光強。
進一步研究發(fā)現(xiàn),在適當情況下,諧波重合后會出現(xiàn)一系列紫外波段的激光脈沖,其中每個脈沖時長僅幾百阿秒。
2001年,阿戈斯蒂尼及其在法國的同事成功產(chǎn)生了一系列僅持續(xù)250阿秒的脈沖串。費倫茨·克勞斯和其在奧地利的伙伴們則另辟蹊徑,成功隔離出持續(xù)時長650阿秒的單個孤立光脈沖,而且用其跟蹤和研究了將電子從原子中“拉”出來的過程。
“正是以這3位科學家為代表的研究人員歷時十幾年的工作,通過聰明才智和不懈努力,使超快科學邁入了阿秒時代。”魏志義說。
有望在多個領(lǐng)域“大顯身手”
一只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面。
“阿秒光脈沖正是研究微觀物質(zhì)世界的‘高速攝像機’,可將‘狂飆’的電子定格下來進行觀察。”魏志義滿懷希望地表示,“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(fā)展,有朝一日可能催生更強大的計算機芯片。它還使我們能夠根據(jù)分子的電子特性來區(qū)別分子,并用于快速準確的疾病診斷!
據(jù)魏志義介紹,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、韓國等國家的多個研究團隊也一直在開展關(guān)于阿秒脈沖的產(chǎn)生及其在物理、化學、生物等諸多領(lǐng)域的應用研究。
“如美國中佛羅里達大學常增虎教授團隊先后于2012年及2017年兩次創(chuàng)造了最短阿秒脈沖的世界紀錄,瑞士聯(lián)邦技術(shù)大學于2017年創(chuàng)造的43阿秒脈沖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(shè)了以阿秒激光為主體內(nèi)容的極端光設(shè)施(ELI-ALPS),用以提供不同領(lǐng)域的科學家開展阿秒科學研究”。對于阿秒領(lǐng)域的成果,魏志義如數(shù)家珍。
阿秒光脈沖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、華東師范大學、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,魏志義課題組首次在國內(nèi)產(chǎn)生并測得了160阿秒的孤立阿秒脈沖,目前正在進一步朝著更短脈寬、更高能量及更高重復頻率的方向發(fā)展,結(jié)合終端設(shè)備,為阿秒激光在凝聚態(tài)物理、原子分子物理、化學、生物醫(yī)學、信息、能源等領(lǐng)域的研究提供國際領(lǐng)先的平臺與設(shè)施。
(記者 劉 霞)
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