诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森指出：“我们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会了解控制电子的机制，下一步将是更好地利用它们。”

从飞秒到阿秒

 

就像我们用光来观察周围的宏观世界一样，我们也可以用光来探测亚原子世界。但有一个原则必须遵守：任何测量都必须快于被研究系统发生明显变化所需的时间，否则只能得到模糊的结果。

 

在一个分子中，原子在飞秒（千万亿分之一秒，10的负15次方秒）时间尺度内移动和转动。因此，科学家们可以借助此前最短的光脉冲——飞秒脉冲来对其开展研究。1999年，美国加州理工学院教授艾哈迈德·泽维尔因为利用飞秒激光观察反应过程中化学分子的过渡态，独享当年的诺贝尔化学奖。

 

而电子在原子或分子内部“狂飙”时，其位置和能量在一到几百阿秒内发生变化，要对其运动开展测量，飞秒技术“爱莫能助”。

 

阿秒有多短暂呢？1阿秒是10的负18次方秒，也就是十亿分之一秒的十亿分之一。1阿秒之于1秒，相当于1秒之于宇宙的年龄（138亿年）。一束光从房间的一边到达对面墙上就需要100亿阿秒。

 

阿秒脉冲“现形记”

 

如何让光脉冲达到阿秒量级？科学家通过理论计算认为，可以通过组合多个波长的短波长激光脉冲来产生更短的光脉冲。

 

 

用最短光脉冲探索电子世界。

 

图片来源：诺贝尔奖官网

 

中国科学院物理研究所研究员魏志义对科技日报记者解释说：“要产生新的波长不仅需要飞秒激光驱动，还需要聚焦到气体，通过光与气体原子的相互作用产生所谓的高次谐波，高次谐波是在驱动激光的一个周期中，产生两个周期的波。”

 

据诺贝尔奖委员会官网介绍，1987年，吕利耶及其同事将一束红外激光聚焦到惰性气体，结果发现产生的谐波比之前用较短波长激光驱动所产生的谐波更多、更强，并且观测到的许多谐波具有相似的光强。

 

科学家们进一步研究发现，一旦这些谐波存在，它们会相互作用。当这些谐波的峰值相互重合时，光会变得更强烈；但当一个谐波的波峰与另一个谐波的波谷重合时，光会变得不那么强烈。在适当的情况下，谐波重合后会出现一系列紫外波段的激光脉冲，其中每个脉冲时长仅几百阿秒。物理学家在上世纪90年代就明白了这背后的理论，但直到2001年才真正揭示其“庐山真面目”。

 

2001年，阿戈斯蒂尼及其在法国的同事，在实验上成功产生了一系列仅持续250阿秒的脉冲串。费伦茨·克劳斯和其在奥地利的伙伴们则另辟蹊径，成功隔离出持续时长650阿秒的单个孤立光脉冲，而且用其跟踪和研究了将电子从原子中“拉”出来的过程。

 

“正是以这三位科学家为代表的研究人员历时十几年的工作，通过聪明才智和不懈努力，使超快科学迈入了阿秒时代！”魏志义强调说。