2023年諾貝爾物理獎官方解讀：脈衝光中的電子_風聞

今年的諾貝爾獎獲獎者們利用實驗產生了足夠短的閃光，可以拍攝超高速運動電子的快照。安妮•呂利耶（Anne L’Huillier）發現了激光與氣體中原子相互作用產生的新效應。皮埃爾•阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和費倫茨•克勞茲（Ferenc Krausz）證明，這種效應可以用來產生比以前更短的光脈衝。

一隻小小的蜂鳥每秒可以拍打翅膀 80 次。對於這一現象我們只能感受到呼呼的聲音和模糊的動作。對於人類的感官來説，快速運動是模糊的，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象的細節圖像。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。

同樣的原理適用於所有用於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發生明顯變化所用的時間更短，否則結果就會模糊不清。今年的獲獎者利用實驗驗證了一種產生超短脈衝光的方法，利用這種超短脈衝可以捕捉到原子和分子內部演變的圖像。

原子的自然時間尺度短得令人難以置信。在分子中，原子的移動和轉動以千萬億分之一秒（飛秒）為單位。這些運動可以用激光產生的最短脈衝進行研究——但當整個原子運動時，其時間尺度是由原子內部又大又重的原子核決定的，與光和輕巧靈活的電子相比，原子核的運動極其緩慢。當電子在原子或分子內運動時，它們的速度非常快，以至於飛秒級的時間內就會看不清它們的運動。在電子的世界裏，位置和能量的變化速率介於一到幾百阿秒之間，而一阿秒是一百億億分之一秒。

阿秒實在太短了，以至於一秒中的阿秒數量與宇宙誕生以來（138 億年）經歷的秒數相同。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對面的牆壁，這需要 100 億阿秒。

飛秒長期以來被認為是能夠產生閃光的時間極限。要想看到電子在超短時間尺度上發生的過程，僅改進現有技術是不夠的，還需要開發全新的技術。今年的獲獎者們的實驗開闢了阿秒物理學這一新的研究領域。

原子和分子中電子的運動速度非常快，要用阿秒來測量。阿秒相對於秒就如秒相對於宇宙年齡。

高次諧波帶來的更短的脈衝

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，對應着不同的顏色。例如，紅光的波長約為 700 納米，相當於頭髮絲的百分之一，它意味着電磁場大約每秒完成四百三十萬億次週期振盪。我們可以把最短的光脈衝看作是光波中一個週期的長度，即上升到波峯、下降到波谷、再回到起點的完整循環的長度。在這種情況下，普通激光系統中使用的光波長永遠無法低於飛秒，因此在 20 世紀 80 年代，這被視為短波激光脈衝的硬性限制。

描述波的數學表明，如果使用足夠多不同波長和振幅（波峯和波谷之間的距離）的波，就可以構建任何波形。阿秒脈衝的訣竅在於，可以通過組合更多和更短的波長來產生更短的脈衝。

在原子尺度觀察電子的運動需要足夠短的光脈衝，這意味着需要結合許多不同波長的短波。

要產生新的更短波長，需要的不僅僅是激光；實現目前已有的最短光脈衝的關鍵是利用激光穿過氣體時產生的一種現象。光與原子相互作用併產生高次諧波——在原始波的一個週期中完成多個完整週期的波。我們可以將其與聲學中賦予聲音特定特徵的泛音進行比較，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生並證實了高次諧波。與之前實驗中使用的波長較短的激光相比，紅外光產生更多、更強的高次諧波。在這個實驗中，觀察到許多光強度差不多的高次諧波。

在 20 世紀 90 年代，安妮•呂利耶在一系列論文中繼續探索這種效應，其中包括在她的新基地隆德大學的研究。她的研究結果有助於從理論上理解這一現象，併為下一次實驗突破奠定了基礎。

逃逸電子產生高次諧波

當激光進入氣體並影響其中的原子時，它會引起電磁振動，使原子核周圍束縛着電子的電場扭曲。然後電子可以從原子中逸出。然而，光的電場不斷振動，當它改變方向時，逸出的電子可能會衝回其原子核。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，為了重新附着到原子核上，它必須以光脈衝的形式釋放多餘的能量。這些來自電子的光脈衝產生了實驗中出現的高次諧波。

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，這促進對它產生機理的研究。那麼它到底是如何產生的？

光的能量與波長有關。高次諧波的能量相當於紫外線，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衝的波長成正比。泵浦光與許多不同的原子相互作用後，產生了一系列不同的具有特定波長的高次諧波。

一旦產生了這些高次諧波，它們就會互相作用。當這些波的波峯重合時，光會變得更強，而當波峯與另一個週期的波谷重合時，光會變弱。在適當的情況下，高次諧波互相重合，產生了一系列紫外光脈衝，每個脈衝持續幾百阿秒。物理學家早在20世紀90年代就理解了這背後的理論，但直到2001年才在實驗產生和測試這些脈衝上取得了突破。

法國的皮埃爾•阿戈斯蒂尼和他的研究小組成功地製造並研究了一系列連續的光脈衝，這些光脈衝序列就像一列有許多節車廂的火車。他們使用了一種特殊的技巧，將 “脈衝列車"中靠後的脈衝與原始激光脈衝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 “脈衝列車 “中脈衝持續時間的方法。他們看到每個脈衝僅持續 250 阿秒。

與此同時，奧地利的費倫茨•克勞茲和他的研究小組在研究一種可以選擇單個脈衝的技術——就像一節車廂從一列火車上脱鈎並切換到另一條軌道上一樣。他們成功分離出的脈衝持續了 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，阿秒脈衝是可以觀測和測量的，而且還可以用於新的實驗。

現在，阿秒世界的大門已經向人們敞開，這些短脈衝光可以被用來研究電子的運動。目前的技術可以產生短至幾十阿秒的脈衝，而且這種技術還在不斷發展。

電子運動變得觸手可及

通過阿秒脈衝，我們可以測量電子從原子中激發出來所需的時間，並通過分析這個時間來得到電子與原子核結合的緊密程度。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。

阿秒脈衝可用來觀測並分辨物質內部不同的過程。這些脈衝已被用於探索原子和分子內部的詳細物理過程，在電子學和醫學等領域都有潛在應用。

例如，阿秒脈衝可用於推動分子，從而發出信號，分子發出的這些信號有一種特殊的結構。這些結構好像指紋一樣，可以讓我們分辨發出信號的分子種類。這種技術在醫療診斷等方面有潛在的應用。