生活中，相機(jī)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(yùn)動(dòng)，科學(xué)家們也夠拼——使用的“相機(jī)”“卷”到了新級(jí)別，“快門”比眨眼的速度還要快上無(wú)數(shù)倍。

北京時(shí)間2023年10月3日傍晚，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、費(fèi)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(shí)驗(yàn)方法用于研究物質(zhì)的電子動(dòng)力學(xué)。

阿秒光脈沖是什么?這三位科學(xué)家是怎么獲得阿秒光脈沖的?普通人的生活會(huì)因?yàn)榘⒚牍饷}沖發(fā)生什么改變嗎?奇聞事件帶你一起來(lái)捋捋。

諾獎(jiǎng)獲得者簡(jiǎn)筆畫 圖片來(lái)自：瑞典皇家科學(xué)院

阿秒光脈沖是什么?

先來(lái)了解這些光學(xué)知識(shí)

阿秒有多短?答案是，1阿秒之于1秒，相當(dāng)于1秒之于宇宙的年齡。

什么事件會(huì)發(fā)生在阿秒級(jí)別的時(shí)間里?答案是，原子和分子內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)。

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

了解阿秒光脈沖的產(chǎn)生，要從光學(xué)說(shuō)起。

在光學(xué)領(lǐng)域，人們看到的太陽(yáng)光由七色光組成。之所以光有不同的顏色，是因?yàn)樗鼈冾l率不同。“當(dāng)一種光入射到水面或玻璃上，頻率不會(huì)發(fā)生改變，顏色也不會(huì)發(fā)生改變，這是光的線性傳播現(xiàn)象。”浙江大學(xué)物理系教授武慧春介紹。

但當(dāng)光的強(qiáng)度提高，例如把激光入射到晶體中，激光頻率會(huì)呈現(xiàn)整數(shù)倍增加，發(fā)生所謂的光學(xué)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(qiáng)度的激光。

一般情況下，激光頻率增加的倍數(shù)很難達(dá)到十倍以上。但如果激光夠強(qiáng)，通過(guò)氣體時(shí)，會(huì)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(shí)間內(nèi)，利用極強(qiáng)的激光，才會(huì)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(qiáng)激光是獲得高次諧波和阿秒光脈沖的技術(shù)前提。”武慧春說(shuō)。

在研究中，安妮·呂利耶，以及皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費(fèi)倫茨·克勞斯三位科學(xué)家分別觀察到了高次諧波現(xiàn)象，并在實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的圖像。因此，他們被授予2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

獲得阿秒光脈沖

三位科學(xué)家有何貢獻(xiàn)?

這項(xiàng)成果來(lái)自于三位科學(xué)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(guó)、瑞典物理學(xué)家。1987年，安妮·呂利耶在實(shí)驗(yàn)中提升激光強(qiáng)度，將紅外激光光線射入惰性氣體時(shí)，觀察到極紅外光變成了極紫外光。

這一結(jié)果不一般。

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

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

“這超出人們的預(yù)料，也帶給人們激動(dòng)人心的結(jié)果，點(diǎn)燃了科學(xué)家對(duì)其進(jìn)一步研究的熱潮。”中國(guó)科學(xué)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(chǔ)。

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(gè)脈沖僅持續(xù)250阿秒。

與此同時(shí)，出生于匈牙利的科學(xué)家費(fèi)倫茨·克勞斯進(jìn)行了另一種類型的實(shí)驗(yàn)，得到了隔離持續(xù)650阿秒的單個(gè)光脈沖。

“后者也是國(guó)際上第一個(gè)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(fèi)倫茨·克勞斯為了得到它，發(fā)明了一些新的光學(xué)元件，在這方面具有不可替代的貢獻(xiàn)。”武慧春表示。

多領(lǐng)域存在潛在應(yīng)用空間

科學(xué)的世界沒(méi)有盡頭

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

2006年到2008年間，武慧春曾到德國(guó)進(jìn)行博士后研究，就是在費(fèi)倫茨·克勞斯的大課題組里。“他搞實(shí)驗(yàn)，我搞理論，雖然交集不多，但印象中，他對(duì)阿秒實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生及物理應(yīng)用一直很專注和癡迷，他試圖把他獨(dú)有的阿秒光脈沖用于更多的物理化學(xué)過(guò)程中。”

魏志義表示，利用阿秒光脈沖在時(shí)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(dòng)力學(xué)，認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的規(guī)律。

對(duì)于獲獎(jiǎng)成果，瑞典皇家科學(xué)院物理學(xué)諾貝爾委員會(huì)主席Eva Olsson表示，“現(xiàn)在可以打開(kāi)電子世界的大門，阿秒物理學(xué)為我們提供了理解由電子掌控的機(jī)制的機(jī)會(huì)。下一步，將是利用它們。”

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

阿秒光脈沖還可以用于識(shí)別不同的分子，如果運(yùn)用在醫(yī)學(xué)診斷中，阿秒光脈沖可以幫助人類進(jìn)行疾病診斷。

“雖然離這些應(yīng)用還有一定距離，還需要攻克許多基礎(chǔ)問(wèn)題，但是這帶給了人類更多想象的空間。”武慧春還表示，過(guò)去20年里，費(fèi)倫茨·克勞斯利用自研阿秒光脈沖的設(shè)備，發(fā)現(xiàn)了很多別的現(xiàn)象，不斷拓展對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)知。

也許，如武慧春所言，科學(xué)的世界沒(méi)有盡頭，只要登上一座座山峰，總有不一樣的風(fēng)景。