生活中，相機幫人們捕捉稍縱即逝的瞬間。在科研世界中，為了“看清”微觀的電子運動，科學家們也夠拼——使用的“相機”“卷”到了新級別，“快門”比眨眼的速度還要快上無數(shù)倍。

北京時間2023年10月3日傍晚，瑞典皇家科學院宣布，將2023年諾貝爾物理學獎授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、費倫茨·克勞斯(Ferenc Krausz)和安妮·呂利耶(Anne L’Huillier)，以表彰他們將產(chǎn)生阿秒光脈沖的實驗方法用于研究物質(zhì)的電子動力學。

阿秒光脈沖是什么?這三位科學家是怎么獲得阿秒光脈沖的?普通人的生活會因為阿秒光脈沖發(fā)生什么改變嗎?奇聞事件帶你一起來捋捋。

諾獎獲得者簡筆畫 圖片來自：瑞典皇家科學院

阿秒光脈沖是什么?

先來了解這些光學知識

阿秒有多短?答案是，1阿秒之于1秒，相當于1秒之于宇宙的年齡。

什么事件會發(fā)生在阿秒級別的時間里?答案是，原子和分子內(nèi)部的電子運動。

就像看清奔跑的馬蹄需要快門夠快的相機，如果想要捕捉到電子運動在短暫片刻里的特征，也需要特殊的技術。阿秒光脈沖就相當于可用于電子觀測的“相機”，可以幫助人類了解電子運動的特征。

了解阿秒光脈沖的產(chǎn)生，要從光學說起。

在光學領域，人們看到的太陽光由七色光組成。之所以光有不同的顏色，是因為它們頻率不同。“當一種光入射到水面或玻璃上，頻率不會發(fā)生改變，顏色也不會發(fā)生改變，這是光的線性傳播現(xiàn)象。”浙江大學物理系教授武慧春介紹。

但當光的強度提高，例如把激光入射到晶體中，激光頻率會呈現(xiàn)整數(shù)倍增加，發(fā)生所謂的光學倍頻現(xiàn)象，光的顏色也隨之改變，這是光的非線性傳播現(xiàn)象。利用這一特征，人類可以獲得不同強度的激光。

一般情況下，激光頻率增加的倍數(shù)很難達到十倍以上。但如果激光夠強，通過氣體時，會得到頻率增加幾十甚至百倍以上的高次諧波。

“而只有在極短的時間內(nèi)，利用極強的激光，才會產(chǎn)生高次諧波，高次諧波中就包含了阿秒光脈沖。超短超強激光是獲得高次諧波和阿秒光脈沖的技術前提。”武慧春說。

在研究中，安妮·呂利耶，以及皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費倫茨·克勞斯三位科學家分別觀察到了高次諧波現(xiàn)象，并在實驗中分別成功產(chǎn)生了阿秒光脈沖。

而這些成果，就可以用于提供原子和分子內(nèi)部電子運動的圖像。因此，他們被授予2023年諾貝爾物理學獎。

獲得阿秒光脈沖

三位科學家有何貢獻?

這項成果來自于三位科學家分別于1987年和2001年的持續(xù)研究。

今年65歲的安妮·呂利耶是一位法國、瑞典物理學家。1987年，安妮·呂利耶在實驗中提升激光強度，將紅外激光光線射入惰性氣體時，觀察到極紅外光變成了極紫外光。

這一結果不一般。

“過去科學家們實現(xiàn)激光頻率變換時，激光頻率提升十倍以上效率太低以至于沒有實際意義。但此次研究得到的結果，得到的激光頻率增加了幾十倍。”浙江大學物理系教授武慧春介紹。

這是科學界首次觀測到高次諧波產(chǎn)生現(xiàn)象，具有阿秒的時間特性。

“這超出人們的預料，也帶給人們激動人心的結果，點燃了科學家對其進一步研究的熱潮。”中國科學院物理研究所研究員魏志義表示。

安妮·呂利耶的研究，為隨后獲得阿秒光脈沖奠定了基礎。

到了2001年，皮埃爾·阿戈斯蒂尼成功地產(chǎn)生并研究了一系列連續(xù)的阿秒脈沖串，其中每個脈沖僅持續(xù)250阿秒。

與此同時，出生于匈牙利的科學家費倫茨·克勞斯進行了另一種類型的實驗，得到了隔離持續(xù)650阿秒的單個光脈沖。

“后者也是國際上第一個孤立的阿秒光脈沖，由此產(chǎn)生的高次諧波效率很高，已經(jīng)跨入了深紫外光波段。費倫茨·克勞斯為了得到它，發(fā)明了一些新的光學元件，在這方面具有不可替代的貢獻。”武慧春表示。

多領域存在潛在應用空間

科學的世界沒有盡頭

對于阿秒光脈沖獲得今年的諾貝爾獎，接受采訪的兩位專家都表示，為這一領域感到高興。

2006年到2008年間，武慧春曾到德國進行博士后研究，就是在費倫茨·克勞斯的大課題組里。“他搞實驗，我搞理論，雖然交集不多，但印象中，他對阿秒實驗產(chǎn)生及物理應用一直很專注和癡迷，他試圖把他獨有的阿秒光脈沖用于更多的物理化學過程中。”

魏志義表示，利用阿秒光脈沖在時間上夠短夠快的特征，可以幫人類探索發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部的微觀動力學，認識物質(zhì)世界的規(guī)律。

對于獲獎成果，瑞典皇家科學院物理學諾貝爾委員會主席Eva Olsson表示，“現(xiàn)在可以打開電子世界的大門，阿秒物理學為我們提供了理解由電子掌控的機制的機會。下一步，將是利用它們。”

阿秒光脈沖在許多不同領域都存在潛在應用。例如，人類有可能利用阿秒光脈沖驅(qū)動芯片中的電子運動，讓芯片的工作效率更高。

阿秒光脈沖還可以用于識別不同的分子，如果運用在醫(yī)學診斷中，阿秒光脈沖可以幫助人類進行疾病診斷。

“雖然離這些應用還有一定距離，還需要攻克許多基礎問題，但是這帶給了人類更多想象的空間。”武慧春還表示，過去20年里，費倫茨·克勞斯利用自研阿秒光脈沖的設備，發(fā)現(xiàn)了很多別的現(xiàn)象，不斷拓展對物質(zhì)世界的認知。

也許，如武慧春所言，科學的世界沒有盡頭，只要登上一座座山峰，總有不一樣的風景。