諾獎帶人類進入阿秒時代拍攝電子和生命流動的瞬間

2023年諾貝爾物理學獎授予俄亥俄州立大學的Pierre Agostini, 匈牙利-奧地利物理學家 Ferenc Krausz 和 法國/瑞典物理學家 Anne L’Huillier，獲獎理由：表彰他們在物質電子動力學研究中產生阿秒光脈沖的實驗方法。

瑞典隆德大學教授安妮·勒惠利爾（Anne L’Huillier）是第5位被授予諾貝爾物理學獎的女性。視頻截圖：隆德大學Nina Ransmyr

如果相機夠快，拍下來的都是“慢動作”。

蜂鳥每秒鐘可以拍打翅膀80次。人眼無法看清，但高速相機可以將其動作定格成一幀幀清晰的畫面。

24年前，1999年諾貝爾化學獎被授予使用當時世界上最快的“相機”的美國加州理工學院教授艾哈邁德·H·祖瓦伊勒（Ahmed H. Zewail）。他用飛秒激光看到反應過程中化學分子的過渡態。

而今，世界最快“相機”再次升級，速度加快千倍，從飛秒跨越到阿秒，“看到”分子中電子的運動，并斬獲2023年諾貝爾物理學獎。

阿秒光脈沖（簡稱“阿秒脈沖”）是一束極短促的閃光，提供了一開一關極快的相機“快門”，能夠“拍攝”到狂飆中的電子。

發明這種基礎科學的新工具、新技術的科學家們，將人類帶進了阿秒時代。

一秒鐘內的阿秒數與138億年前宇宙誕生以來所經過的秒數相同。圖：Johan Jarnestad

電子繞氫原子核一周大約需要150阿秒（10^-18秒），而目前阿秒脈沖的世界紀錄是43阿秒脈沖。

10月3日下午，中國科學院物理研究所副研究員、博士生導師方少波說：進一步增強阿秒脈沖，現在還存在技術難度。目前43阿秒脈沖的世界紀錄保持者、來自德國的托馬斯·高尼茨（Thomas Gaumnitz）在攻讀博士學位期間，因為忙于搭建阿秒脈沖光源，一直沒有發表論文，直到博士后階段才發表了第一篇研究論文。

上海理工大學光電信息與計算機工程學院教授、博士生導師劉一表示，2023年三位諾貝爾物理學獎得主中，他最熟悉的是安妮·勒惠利爾（Anne L’Huillier）。從2014年開始，雙方就空氣激光等相關課題展開合作，先后在安妮實驗室進行過4次合作實驗。

劉一回憶安妮：她出生在法國巴黎，在法國攻讀了博士學位。她溫和、內斂，言辭不多，但非常有智慧。她對葡萄酒很有研究，能夠分辨不同葡萄酒的年份。安妮是第5位被授予諾貝爾物理學獎的女性。

劉一表示，脈沖更短，能量更高，重復頻率更高，這是阿秒脈沖領域內人們正在努力的三個維度。除了在泵浦激光、產生介質等方面進行改進外，他表示，普通實驗室用的聚焦透鏡是1米或2米長的，但在歐盟一些實驗室用的聚焦透鏡長達50米，就是為了產生更強的阿秒脈沖。

阿秒脈沖：最快的光？錯！

有人直觀上認為阿秒脈沖是最快的光，所以能追蹤飄忽運動的電子。

但實際上，在同一介質中，光速不變。

“更準確地說，是最短的，目前最短的光脈沖。”劉一說。用最短的光脈沖可以探索電子世界。但還有比阿秒更短的時間單位——仄秒（10^-21秒）、幺秒（10-²⁴秒）等, “人類對自然的探索無止境” 。

如果簡單地把電子看作是原子核周圍的“超級跑車”或者子彈，那么阿秒脈沖如同開關很快的相機快門，可以將電子“拍攝”下來。

劉一表示，“好比子彈飛過去了，如果你相機的快門不夠快的話，你拍到的是一條線、一個影子，而非清晰的子彈。而阿秒脈沖提供了一個很快的‘快門’，曝光時間尺度很短。”

靜止是相對的。

曝光時間之所以要短，是為了在快門一開一關之間，被拍攝對象幾乎相當于是靜止的，或者它移動的距離足夠短，否則很難定格清晰的瞬間。

北京時間3日17時50分許，瑞典皇家科學院宣布，將2023年諾貝爾物理學獎授予發明了這種極短閃光技術的三名科學家——美國俄亥俄州立大學名譽教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德國馬克斯·普朗克量子光學研究所教授費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大學教授安妮·勒惠利爾（Anne L’Huillier），以表彰他們在“產生阿秒光脈沖以研究物質中電子動力學的實驗方法”方面所做出的貢獻。

阿秒是光脈沖的脈沖寬度。劉一解釋說，“脈沖寬度的概念沒那么抽象。比如說激光筆。我們手指頭一按打開激光筆，再一放關掉激光筆，就產生了一個激光脈沖。脈沖寬度是脈沖持續的時間。假如有人能夠在1阿秒內一按一放激光筆，而且激光筆也有足夠快地響應的話，那么也可以產生阿秒脈沖。可是，沒人能按得這么快，激光筆也沒有那么快響應。。”

飛秒激光卻可以“按得”這么快。

1阿秒等于千分之一飛秒，相當于10^-18秒。一秒鐘內的阿秒數與138億年前宇宙誕生以來所經過的秒數相同。一束光從房間里一堵墻照射到另一堵墻，需要100億阿秒的時間。

用飛秒激光驅動氣體等介質，可以產生阿秒尺度的光脈沖。

飛秒激光作為驅動光，通過高次諧波過程產生極紫外或更短波長的阿秒相干輻射。圖：Johan Jarnestad

中國科學院物理研究所研究員魏志義等人2021年發表在中文學術期刊《物理》上的一篇論文表示，超快激光于20世紀80年代進入了飛秒激光時代。強場超快激光脈沖的一個重要用途是作為驅動光，通過高次諧波過程產生極紫外或更短波長的阿秒相干輻射。以氣體高次諧波為例，當惰性氣體與強場激光相互作用時，每個激光周期伴隨產生兩個阿秒脈沖。氣體高次諧波的三步模型認為，激光場將首先使氣體原子發生隧穿電離，釋放出的光電子在電場的作用下運動，加速后的光電子最終與母體離子復合，使原子回到初始的量子態，多余的能量則以高能光子的形式釋放，即高次諧波。

冷門領域！36年前解決原理問題，20年前突破技術難題

“如果認為它是世界上最快的東西，那用什么方法證明它是最快的？”方少波問。

他表示，除非有一個更快的“快門”，能定量地測出來阿秒脈沖的“快門”究竟有多快。

方少波介紹，1987年，安妮就做了高次諧波的實驗，奠定了阿秒脈沖的基礎。但高次諧波當時只能帶來阿秒脈沖串。

“你可以把阿秒脈沖串簡單想象成一串子彈，每個子彈都有自己的顏色，紅橙黃綠藍靛紫。但人們需要的可能只是一顆極紫外的子彈。”方少波表示，精準測量想用的是“一發子彈”——孤立阿秒脈沖，而非一串。這相當于要在一連串機關槍射出的子彈里面挑出來一個，難度很大。皮埃爾·阿戈斯蒂尼和費倫茨·克勞斯都在2001年時分別發表了重要論文，完成了阿秒脈沖的產生和測量，“而且用的是不同的測量技術。此后，大家有了共識，人類的光學技術進入到阿秒時代”。

等了至少20年，阿秒脈沖領域的研究者才收獲第一個諾貝爾獎。

方少波表示，阿秒脈沖此前不是熱門領域。首先，當時高次諧波的產生效率非常低，很多人甚至認為這是個笨方法，覺得浪費了大量的能量才得到了那么一點點光脈沖，是“大力出奇跡”而已，因此不被很多人看好；第二個原因是高次諧波的產生需要用到一個短脈沖的飛秒激光器。在那個年代，這樣的激光器不是很多實驗室都有。目前產生孤立阿秒脈沖的技術已經相對成熟了。但還有一個問題沒有克服：如何提高它的光強度或產生效率？

諾貝爾獎官網介紹稱，1987年，安妮發現，當她通過惰性氣體傳輸紅外激光時，會產生許多不同的光的“泛音”。每個“泛音”都是一個光波。它們是由激光與氣體中的原子相互作用引起的。電子獲得額外的能量，然后以光的形式發射出來。安妮繼續探索這一現象，為后續的突破奠定了基礎。

1994年，阿戈斯蒂尼及其合作者研究了雙色光子場中的頻率調制原理。這一原理后來發展成為RABBIT（通過雙光子躍遷干涉重建阿秒跳動）的計量技術。該技術通過將XUV（極紫外）脈沖和來自驅動激光器的光聚焦到稀有氣體靶上，并分析從靶上產生的光電子，從而測量一連串阿秒脈沖的持續時間。

2001年，皮埃爾·阿戈斯蒂尼成功產生并研究了一系列連續的光脈沖，其中每個脈沖僅持續250阿秒。與此同時，費倫茨·克勞斯正在進行另一種類型的實驗，該實驗可以分離出持續650阿秒的單個光脈沖。

兩束激光被用于產生阿秒脈沖和觀測實驗。圖：Johan Jarnestad

阿秒脈沖技術使得我們對以前無法追蹤的快速過程，比如電子移動，或者能量的快速轉移的研究成為可能。這為研究原子、分子和凝聚態物質中的電子動力學打開了一扇窗。

諾貝爾物理學委員會主席伊娃·奧爾森 (Eva Olsson) 稱，“我們現在能打開電子世界的大門了。阿秒物理學使我們有機會了解電子控制的機制，下一步將是利用它們。”

應用于超高靈敏度檢測，或沖擊下一個諾獎？

阿秒脈沖在材料科學和醫學診斷等領域都有應用潛力。

方少波介紹，三位獲獎者最年輕的費倫茨·克勞斯，在做了阿秒脈沖的基礎研究之后，把重心放到了血液檢測上。他希望把對阿秒脈沖的計量方法拓展到血液檢測中，希望帶來一種超高靈敏度的檢測技術。他做過一個實驗：把一杯糖水的濃度不斷稀釋，稀釋到現有所有商用檢測手段都檢測不出濃度后，再把它稀釋1000倍，然后用費倫茨·克勞斯的方法還能檢測出其含糖量。

2023年諾貝爾物理學獎得主、德國馬克斯·普朗克量子光學研究所教授費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）。

費倫茨·克勞斯于1962年5月17日出生在匈牙利。

諾貝爾獎官網介紹稱，費倫茨·克勞斯研究組已經邁出了生物應用的第一步。通過將寬帶光學、超快激光源和精確的飛秒-阿秒場解析技術相結合，克勞斯研究組開發出了光電場分子指紋技術，可以檢測生物流體分子成分的變化。這有望成為一種新的體外診斷分析技術，用于檢測血液樣本中痕量的疾病特征分子。它的最大優點是可以同時監測許多分子，而且輻射是非電離的，因此不會對人體造成傷害。

方少波表示，通俗地解釋這種檢測的原理，它實際上是對整個光場進行精確地掃描或檢測，對相關光子的相位進行確認。“每個分子對它都有不同的振動頻率”，如同分子指紋，所以這種方法可以在血液中檢測非常多種類的分子。

有評論稱，如果這種分子檢測新方法獲得成功應用，克勞斯甚至可能獲得第二個諾獎。

方少波表示，目前，阿秒脈沖技術還需要更多學科的擴展和應用。我國在阿秒科學領域也有布局，從國家層面到中國科學院層面，都給予了關注和支持。中國科學院在青年團隊計劃中專門針對原子尺度阿秒超快動力學以及阿秒科學與技術等研究項目給予了穩定支持。

據中國科學院物理研究所微信公眾號消息，2013年，中國科學院物理研究所魏志義課題組實現了160阿秒孤立阿秒脈沖測量實驗結果，這是我國在阿秒科學領域的重大突破。隨后，華中科技大學、國防科技大學和中國科學院西安光學精密機械研究所的研究團隊也先后實現了阿秒脈沖的產生和測量。

阿秒脈沖

一、背景

根據發光持續時間的長短，激光一般被分類為連續激光和脈沖激光。連續激光能夠在長時間內產生激光但輸出的功率較低。脈沖激光工作方式是在一個個間隔的小時間段內發射光脈沖，其峰值功率很高。從20世紀激光誕生開始到其后的80年代，脈沖激光的單個脈沖時間可以達到皮秒量級。隨著激光技術的不斷發展，激光的脈沖寬度也在不斷縮小。1981年，貝爾實驗室的福克等人采用鎖模技術將脈沖激光的脈沖寬度縮小到小于100 fs。2001年，奧地利維也納技術大學的克勞茨研究組（2023年Nobel獎獲得者）在實驗上成功地利用氣體高次諧波產生了脈寬為650 as（阿秒）的單個光脈沖，使光脈沖寬度達到阿秒量級。

阿秒脈沖激光的出現被認為是激光科學歷史上最重要的里程碑之一，應用前景難以估量，目前已經成為物理、化學、生物等眾多領域重要的研究手段，成功用于測量和控制內殼層束縛電子運動等過程，將人們研究物質結構的視野從分子拓展到原子內部。阿秒脈沖激光技術的發展，引發了X射線、自由電子激光、可控高溫超導、超高分辨成像、電子信息處理等領域科學與技術層面研究的諸多重大突破。鑒于其巨大的潛在應用價值，美國、歐洲、日本等將阿秒激光技術列為未來10年激光科學發展最重要的發展方向之一。

不同運動過程的時間尺度

1阿秒=10^-18秒，阿秒到底有多短？目前，我們可以觀測到的最長時間尺度是我們的宇宙的年齡，大約為140億年，即4x10^17秒。1阿秒比上1秒，就相當于1秒比上整個宇宙年齡的長短。

二、原理

如何將脈沖光壓縮到阿秒量級？在傅里葉變換中，時域的一個脈沖越窄，它在頻域空間的帶寬就越大。也就是說，如果我們能產生足夠大帶寬，相位鎖定的相干光，它天然的就是超短脈沖。根據能量和時間的不確定關系，當連續譜頻率寬度達到4eV以上時，我們就可以獲得阿秒脈沖了。剛好，高次諧波產生就能提供這樣的一個寬頻帶的相干光源。

目前阿秒脈沖激光主要是由飛秒（10^-15秒）激光（也稱超快超強激光）作用于惰性氣體而產生的高次諧波所形成的。高次諧波產生（high harmonic generation，HHG）是一種極端的非線性效應，強場激光聚焦到氣體介質上的時候，會發生非線性效應，可以得到上百階的高能諧波光子。作為一種相干的寬譜高能光源，它可以用來產生阿秒脈沖（10^-18s）。

瞬時功率(peak intensity)高達10^14 W/cm^2的飛秒脈沖與惰性稀有氣體相互作用，可產生高次諧波HHG的過程

氣體中高次諧波產生非線性過程是阿秒科學的基石之一，廣泛應用于許多科學領域，包括物理、化學和生物學。

為了更直觀理解氣體高次諧波產生的物理機制，引入半經典三步模型。半經典三步模型：第一步為隧穿電離，強激光場使氣體原子的庫倫勢發生傾斜，電子能夠通過隧道電離方式逃離原子核的束縛，進入連續態；第二步是強場加速，進入連續態的電子則在外加激光電場力的驅動下加速運動，下進行加速運動，從而積累一定的動能；第三步是復合發光，加速運動的電子會在某些時刻以一定概率再回到電離的原子核附近與之發生復合，在復合過程中電子會將其在激光電場中運動累積的動能進行釋放，也即將動能轉化為高次諧波光子的能量。

利用高次諧波產生阿秒脈沖激光過程

電子在激光場不同時刻電離后, 在光場中飛行獲得的能量不同, 最終復合時釋放的能量也不同, 因此產生覆蓋較寬的光譜, 形成一個極紫外脈沖. 該三步過程在飛秒驅動激光每半個周期發生一次, 形成一個等時間間距的極紫外脈沖序列, 并在頻域發生干涉而形成梳齒狀的分立HHG光譜。

按照諧波級次強弱變化分類, 其頻譜可分為3個部分: 微擾區, 區內高次諧波的級次較低, 諧波效率隨著級次的提升而快速下降; 平臺區, 諧波光譜的中部, 各級次強度相差不大; 截止區, 該區域的諧波級次較高, 效率也隨著級次的提升而下降, 也有可能是沒有干涉的連續光譜。

HHG在驅動飛秒激光(有時也稱為基頻光)的每半個光周期產生一次, 輻射出的極紫外脈沖寬度小于半個光周期, 達到亞飛秒即阿秒量級. 頻域中梳齒狀的HHG譜在時域上對應一個阿秒脈沖序列, 或稱阿秒脈沖串. 利用飛秒脈沖作為驅動源, 并采用相應的選通(gating)方法, 就可以從HHG的阿秒脈沖序列中選出一個脈沖, 稱為孤立阿秒脈沖; 其與驅動脈沖重復頻率相同, 且精確同步。

三、發展現狀

脈寬紀錄不斷被刷新。2001年，由當時在奧地利維也納技術大學的費倫茨·克勞茲教授領導的國際研究小組利用上述原理首次獲得脈寬650阿秒激光；2006年，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的亞歷山大和威廉等人利用級聯自由電子激光器產生的飛秒激光脈沖激發惰性氣體，產生了脈寬為100阿秒超短激光脈沖；2012年，美國中佛羅里達大學趙昆等人使用雙偏振門控方法，將飛秒激光脈沖激發氖氣形成高次諧波，獲得了67阿秒的超短激光脈沖；2017年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院托馬斯·高姆尼茨（Thomas Gaumnitz）進一步將脈沖時間縮短到43阿秒。

阿秒激光誘導電子振蕩技術獲得突破。2013年，德國馬普光學研究所阿秒物理實驗室發現，超高峰值功率的超短激光脈沖可以改變絕緣材料電特性，在絕緣體中引發超快振蕩的電場和電流，電場和電流的振蕩與入射激光的“開”與“關”直接相關，進而說明絕緣體導電性的轉換是在阿秒級時間內完成的，該實驗證明材料的基本導電特性能夠以光場的振蕩速度來增加或減小。

人工控制電子技術取得重大進展。上述現象的發現為研制處理頻率達拍赫茲（10^15赫茲）量級的電子開關器件奠定了基礎，這個頻率是當前的電子開關處理頻率的數萬倍。2016年，馬普光學研究所聯合美國佐治亞州立大學、日本筑波大學等組成國際研究團隊，將只包含一個強振蕩脈沖的激光作用于二氧化硅固體材料（脈寬時間內電子只能向左和向右振蕩一次），然后使用脈寬短于100阿秒的光學手段測量驅動光場的空間電場結構，從而首次實現對固體材料中電子動力學過程的探測。研究發現：電子在經歷幾十個阿秒之后與入射激光場的相互作用，這個過程的延遲時間決定了激光場與材料之間交換的能量。模擬計算表明，通過調整光場的振幅可以優化激光與材料之間交換的能量，從而證明了通過控制激光脈沖優化超快信號處理過程中的能量交換，使電子器件的發熱量達到最低的理論可行性。

四、產生裝置

阿秒激光裝置由阿秒激光產生、阿秒條紋相機測量、阿秒時間分辨應用以及XUV平場光譜儀等單元組成。以上述CEP鎖定的周期量級激光脈沖與惰性氣體相互作用，所產生的高次諧波（HHG）即具有阿秒時間特性。利用阿秒條紋相機測量紅外驅動激光與HHG共同作用產生的光電子譜掃描條紋，得出單個阿秒脈沖寬度為160as，下圖是首次在國內測量得到的阿秒激光脈沖實驗裝置，標志著我們的研究進入到了阿秒世界。

阿秒脈沖激光技術打開了一扇通往研究電子的極端超快運動過程的大門。

對生化反應實現量子相干控制。量子相干控制的基本思想是：脈沖寬度足夠短，入射光與原子相互作用極快，不會受到外界環境的影響，這樣，就可以通過改變激光脈沖，控制反應按照特定的方式進行，得到預期的效果。在生物、化學反應中，分子角動量起到非常重要的作用。但分子角動量的空間分布是隨機的，控制角動量極具挑戰。脈沖寬度為飛秒至阿秒量級的超快激光，可對生化反應過程進行全面控制，從而得到預期的結果。比如在生命科學中，阿秒脈沖激光將最終從根本上（電子運動方式的層面）幫助人們弄清楚疾病產生的微觀起因、形成和發展。

可大幅提升電子器件運行速度。現代電子學無論在時間還是空間上都在朝著原子量級推進，這就意味著有有望在原子尺度內制作電路，并通過控制光電場開關電流。阿秒脈沖激光技術為研制拍赫茲的超高頻電子器件開辟了道路，可將電子器件的運行速度提高幾個數量級且有望解決電子器件發熱嚴重的問題，可能成為新一輪電子信息技術革命的推動力。

有望助力能源革命。在能源領域，可利用阿秒脈沖激光研究新材料中的電子和空穴對之間的電荷轉移機制，控制電子的轉移過程，推進超導技術研究，提升人工光合作用和太陽能電池的效率。

參考文獻：

[1] 魏志義,許思源,江昱佼,高亦談,趙昆,朱江峰.阿秒脈沖產生的技術原理及進展[J].科學通報,2021,66(08):889-901.

[2] 蘭鵬飛,陸培祥.阿秒激光脈沖的產生與操控[J].科學通報,2021,66(08):847-855.[3] 西南科技大學，阿秒脈沖激光技術