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一文读懂2023年诺贝尔物理学奖

晰数塔互联网快讯
2023-10-04 08:02

瑞典皇家科学院决定将2023年诺贝尔物理学奖授予：

皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），美国俄亥俄州州立大学；

费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz），德国马克斯·普朗克量子光学研究所，德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学；

安妮·勒伊耶（Anne L’Huillier），瑞典隆德大学。

2023年诺贝尔物理学奖的3位获得者，因他们的实验工作而获此殊荣，他们的工作为人类探索原子和分子内部电子世界提供了新工具。皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·勒伊耶展示了一种创建极短光脉冲的方法，这些脉冲可以用于测量电子运动或能量变化的快速过程。

通过控制光与物质的相互作用，他们的开创性工作打开了研究自然界中最快过程的大门。这为理解生命的化学基础和开发新技术奠定了基础。

阿秒是什么？

阿秒（attosecond）和秒、分钟、小时一样，是一种时间单位，1阿秒等于10-18 秒。1阿秒特别特别短，目前认为宇宙的年龄大约是137亿年，从宇宙诞生到现在度过的秒，跟一秒里度过的阿秒数量相当。

或者换一个角度看，世界上跑得最快的物质是光，一秒就能跑30万公里，相当于绕地球七八圈；可是在一阿秒内，光连一纳米都跑不到，还不够绕原子跑一圈！

那么，为什么物理学家要研究阿秒这么短的时间呢？原因在于，物理学家想要知道物质内部的电子是怎样运动的。

我们可以从摄影的角度去理解。对于运动速度很快的物体，比如说射入木板的子弹、每秒能振翅80下的蜂鸟，如果我们用快门速度很慢的相机去拍摄，只能拍出模糊的拖影；只有快门速度足够快，比如说在1/1000秒，才能捕捉到物体运动的瞬间。

而对于物质内部的电子，它们运动的速度实在是太快了，已经快要接近光速的量级，运动的时间单位常常就是以阿秒为量级的，比如氢原子中电子绕核一周的时间大约是152阿秒。想要研究电子，我们需要一种特殊的“照相机”，它的“快门速度”要达到几个阿秒这么快。

这一届的诺贝尔物理学奖得主，就是找到了一种持续时间可以短到只有几十阿秒的光脉冲，作为拍摄电子运动的“快门”，让我们能够更深入了解微观世界的奥秘。

高“泛音”帮助下制造更短的脉冲

在阿秒激光诞生之前，科学家就一直在为制造更短的光脉冲而努力着。但是他们遇到了一个困难，那就是很难把光脉冲的长度缩减到比一个光周期的时长更短。

光是一种电场与磁场变化产生的波，而一个光周期就是它完成一次波动所需要的时间。比如说，红光的波长约为700纳米，它以每秒约43万亿次的周期波动。在这种情况下，如果用传统的方法制造超短光脉冲，那么每一份光脉冲的时长无论如何都没法压缩到1飞秒（1000阿秒）以下——这样一来，它就无法用来观测运动极快的电子了。在上世纪80年代，科学家曾认为这种最短光脉冲的限制非常难以突破。

而突破限制构建阿秒脉冲的关键则在于，要使用波长很短的光，并把很多不同波长的光结合到一起。要想产生这些适宜的光，需要利用激光穿过气体时产生的一种现象，它名叫“气体高次谐波”。这里的谐波就像是拨动吉他琴弦时产生的泛音。

1987 年，研究者安妮·勒伊耶（Anne L’Huillier）和同事让红外激光穿过惰性气体，成功制造出了这种激光“泛音”。与之前的实验相比，红外激光产生了更多、更强的“泛音”，这一研究结果为制造阿秒激光的后续研究奠定了基础。

逃逸电子产生泛音

当激光进入气体并影响其原子时，它会引起电磁振荡。这种振荡会扭曲将电子束缚在原子核周围的电场，让电子有机可乘逃逸出原子。然而，光的电场持续振荡，当它改变方向时，一个逃逸的电子可能会迅速返回到它的原子核。在电子逃逸期间，它从激光的电场中收集了大量额外能量，为了重新附着到原子核上，它必须以光脉冲的形式释放多余能量。这些来自电子的光脉冲，就是实验中出现的“泛音”。

光的能量与其波长相关。发出的“泛音”中的能量相当于紫外线，波长较人眼可见光短。因为能量来自激光的振荡，“泛音”的振荡将与原始激光脉冲的波长成正比。光与许多不同原子相互作用的结果，便是产生不同的光波，它们具有一组特定的波长。

一旦出现这些“泛音”，它们就会互相作用。当光波峰值重合时，光变得更强，但当一个周期的峰值与另一个的波谷重合时，光变得更弱。在恰当的情况下，“泛音”重合以致出现一系列的光脉冲，每个光脉冲只持续几百阿秒。物理学家在上世纪90年代就理解了这个理论，但直到2001年，对光脉冲的识别和测试才获得突破。

皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和他在法国的研究小组成功产生并研究了一系列连续的光脉冲，就像一列带有多节车厢的火车。他们使用了一种特殊技巧，将“脉冲列车”与原始激光脉冲的延迟部分组合在一起，以了解泛音之间的相位关系。这个过程也让他们能测量脉冲列车中每个光脉冲的持续时间，他们看到每个光脉冲只持续250阿秒。

与此同时，费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和他在奥地利的研究小组致力于一种技术，可以选择单个光脉冲——就像将一节车厢从火车上分离并切换到另一条轨道。他们成功分离出来的光脉冲持续650阿秒，该小组利用它来跟踪和研究电子被拉离原子的过程。

这些实验证明了阿秒光脉冲可以被观测和测量，并且也可以用于新的实验。

现在，阿秒世界已经触手可及，这些短暂的光脉冲可以用来研究电子的运动。现在有可能产生持续时间只有几十阿秒的光脉冲，而且这项技术还在不断发展。

研究电子运动，能拿来干嘛？

阿秒光脉冲技术使我们能够精确地测量电子从原子中被拉出的时间，并研究这个时间与电子和原子核紧密关系之间的关联。简单来说，我们现在可以看到电子在分子内部如何移动，而以前我们只能大致估计它们的平均位置。

阿秒光脉冲不仅可以帮助我们深入了解物质的内部工作原理，还可以帮助我们识别和研究各种物理事件。科学家已经使用这种技术深入探索了原子和分子的奥秘，而且这种技术在许多领域，从电子技术到医学，都有巨大的应用潜力。

举个例子，我们可以使用阿秒光脉冲来“推动”分子，这些分子会发出特定的信号。这个信号就像分子的指纹，告诉我们这是什么分子。这种技术的一个潜在应用就是在医学领域进行诊断。

本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42），作者：中子星、窗敲雨、Steed、biu，编辑：Steed