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阿秒激光是什么?
材料來源:《環(huán)球》雜志,激光行業(yè)觀察          

天下武功,唯快不破。

有時,我們會把很短的時間,形容為“一次心跳的時間”,而一次心跳的持續(xù)時間是10的18次方阿秒。

在近期一項類似于定格攝影的實驗中,美國和德國科學(xué)家團(tuán)隊首次拍攝了液態(tài)水中電子實時運(yùn)動的“定格幀”,這一成果被發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

2023年10月3日,在瑞典斯德哥爾摩舉行的2023 年諾貝爾物理學(xué)獎公布現(xiàn)場,評委會專家解讀2023年諾貝爾物理學(xué)獎得主的研究成果

專家認(rèn)為,這項成果標(biāo)志著實驗物理學(xué)的重大進(jìn)步,它提供了一個窗口,使科學(xué)家能在以前用X射線無法企及的時間尺度上了解液體中分子的電子結(jié)構(gòu)。此前科學(xué)家只能在皮秒(1秒=1萬億皮秒)的時間尺度上解析電子運(yùn)動,F(xiàn)在,在阿秒尺度上研究X射線擊中目標(biāo)的電子反應(yīng)的能力使研究人員能夠深入研究輻射引發(fā)的化學(xué)反應(yīng),比以前的方法快100萬倍。

種種跡象表明,阿秒激光或?qū)⒊蔀殚_啟神秘電子世界的那把鑰匙。

何為“阿秒”?

對普通人來說,阿秒是一個極為陌生的概念。

其實早在戰(zhàn)國時期,我國著名思想家尸佼就提出“四方上下曰宇,古往今來曰宙”的樸素時空觀。時至今日,在物理學(xué)最前沿的研究中,空間和時間依舊是最重要、最基礎(chǔ)的兩個維度。

就人類感官而言,當(dāng)物體快速運(yùn)動時,其圖像會模糊并重疊在一起,極短的時間里發(fā)生的變化無法被觀察到。因此,科學(xué)家們通過研制更精確的“時間窗”,以此來捕捉或描繪這些非常短暫的瞬間,顯得格外重要。

在19世紀(jì),物理學(xué)界有一個備受關(guān)注且熱議的問題:馬在奔馳時,四條腿會同時離開地面嗎?

美國企業(yè)家利蘭·斯坦福對這個問題非常感興趣。為驗證這個猜想,他找到了著名的攝影師埃德沃德·邁布里奇。在那個時代,錄像功能尚未誕生,當(dāng)時相機(jī)快門的反應(yīng)時間為15秒,有時甚至長達(dá)1分鐘。

馬不會為了照顧相機(jī)快門放慢疾馳的腳步,它們噠噠的馬蹄,成了驗證這個假想的最大阻礙。埃德沃德·邁布里奇可沒那么容易放棄,他靈機(jī)一動,不僅改進(jìn)了相機(jī)的快門設(shè)計,還在跑道上放了12處相機(jī)和機(jī)關(guān)。每當(dāng)馬靠近相機(jī),就會觸發(fā)機(jī)關(guān),拍下照片。最后,他將這12張照片拼在一起,便是馬奔跑的全過程。

通過觀察拼接后的照片,人們很快找到了問題的答案:駿馬奔馳時,的確能捕捉到那么一個瞬間——它的四條腿同時離開地面。

時間進(jìn)入21世紀(jì)。2023年10月3日,瑞典皇家科學(xué)院宣布,將當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費(fèi)倫茨·克勞斯和安妮·呂利耶,以表彰他們“為研究物質(zhì)中的電子動力學(xué)而產(chǎn)生阿秒光脈沖的實驗方法”。

“我們現(xiàn)在可以打開電子世界的大門。阿秒物理學(xué)使我們有機(jī)會了解電子控制的機(jī)制。下一步將是利用它們。”諾貝爾物理學(xué)委員會主席伊娃·奧爾森如是說。

當(dāng)科學(xué)家們將視角投入電子世界,他們發(fā)現(xiàn),位置和能量的變化速度介于1到幾百阿秒之間,其中1阿秒是1秒的十億分之一。阿秒脈沖光技術(shù)是人類目前所掌握的最快的時間尺度,它就像一把尺子,尺子刻度越細(xì),可測量的精度就越高。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)人文與社會科學(xué)學(xué)院科技傳播系副主任袁嵐峰表示,阿秒光脈沖可以被理解為高速相機(jī)原理,想抓拍到一個人運(yùn)動過程中的精彩瞬間,需要一個反應(yīng)速度快的相機(jī)。阿秒光脈沖正是微觀反應(yīng)研究中的“高速相機(jī)”。

過去,激光脈沖持續(xù)的時間極限是“飛秒”,雖然這足以讓人們看清原子,但對于電子來說,“飛秒”的時間分辨率顯得過于粗糙,以至于按照這個尺度,人們只能獲得類似馬賽克的效果。

相干光脈沖從飛秒進(jìn)步到阿秒,不單是時間尺度的簡單進(jìn)步,更重要的是將人們研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力,從原子分子運(yùn)動推進(jìn)到了原子內(nèi)部,可以對電子運(yùn)動和關(guān)聯(lián)行為進(jìn)行探測,從而引發(fā)基礎(chǔ)物理研究的重大革命。

阿秒將給普通人帶來什么?

1999年的一天,美國加州理工學(xué)院教授艾哈邁德·澤維爾,因為自己的發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾化學(xué)獎。澤維爾在上世紀(jì)80年代研究使用一種激光光束拍攝過渡態(tài)中原子振蕩的過程,幫助科學(xué)家通過“慢動作”觀察處于化學(xué)反應(yīng)過程中的原子與分子,從而對過渡態(tài)的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)展開研究。因此,澤維爾也被稱為“飛秒化學(xué)之父”。

從那時起,科學(xué)家們開始認(rèn)識到如閃電一般的激光能夠捕捉那些稍縱即逝的瞬間。這個發(fā)現(xiàn)也為后續(xù)一系列顛覆性研究提供了理論基礎(chǔ)。

如今,這束激光的速度又升級了千倍,成功實現(xiàn)了從飛秒到阿秒的劇變。

現(xiàn)在,當(dāng)人們提起飛秒激光,往往能想到以飛秒激光近視手術(shù)為代表的諸多應(yīng)用。而提到阿秒激光,似乎很難把這個名詞和普通人的生產(chǎn)生活聯(lián)系到一起。

袁嵐峰坦言,“阿秒激光目前還沒有多大用處,它的應(yīng)用才剛剛開始,還都停留在基礎(chǔ)研究方面。”但是,這并不代表阿秒光脈沖沒有應(yīng)用潛力,“它打開了一扇門,但是這個門后面有什么還需要我們?nèi)ド钊胩剿鳌?rdquo;他說。

那么,這扇門背后,究竟有什么呢?

2023年11月5日在第六屆進(jìn)博會醫(yī)療器械及醫(yī)藥保健展區(qū)美敦力展臺拍攝的脈沖場消融系統(tǒng)

“電子運(yùn)動負(fù)責(zé)產(chǎn)生光以及化學(xué)鍵的形成和斷裂,從而改變生物分子的結(jié)構(gòu)及其在生命系統(tǒng)中的功能,并負(fù)責(zé)以最快的速度處理信息……今天,我們正在使用阿秒光脈沖來更好地了解涉及電子、原子和分子的微觀過程,并找出它們?nèi)绾斡绊懞暧^世界。”此前,獲得沃爾夫物理學(xué)獎后,費(fèi)倫茨·克勞斯這樣闡述阿秒物理學(xué)的應(yīng)用價值。

伊娃·奧爾森則表示,阿秒物理學(xué)讓我們有機(jī)會了解電子控制的機(jī)制,為電子信息工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用鋪平了道路。

中國科學(xué)院物理研究所研究員魏志義認(rèn)為,該項技術(shù)可以與超導(dǎo)、納米材料、光伏產(chǎn)業(yè)、制藥、激光醫(yī)療等領(lǐng)域結(jié)合,推動人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)有更深入的認(rèn)識,從而帶來相關(guān)革命性進(jìn)展。

毋庸置疑的是,盡管目前阿秒物理學(xué)的應(yīng)用與人們的某些想象還有一段距離,但它卻擁有著極為廣泛的應(yīng)用場景。

它為人類研究微觀世界提供了一雙“慧眼”。

在它的加持下,許多微觀過程將不再需要“旁證”才能被證實,而是可以被直接觀測到:阿秒激光可以用來拍攝各種高速運(yùn)動的過程,如化學(xué)反應(yīng)、分子尺度的運(yùn)動和原子尺度的運(yùn)動。

用阿秒激光拍攝化學(xué)反應(yīng)的過程,可以幫助科學(xué)家們更好地理解反應(yīng)機(jī)理,并進(jìn)一步改進(jìn)化學(xué)工藝。用阿秒激光拍攝分子和原子的運(yùn)動,可以揭示它們之間的相互作用和動力學(xué)過程,對于材料科學(xué)和生物科學(xué)的研究非常重要。

以生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域為例,阿秒脈沖的高分辨率成像技術(shù)有望提升疾病的早期診斷和治療效果,為研究癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等重大醫(yī)學(xué)難題提供新突破口。

據(jù)了解,費(fèi)倫茨·克勞斯團(tuán)隊還在嘗試用飛秒和阿秒技術(shù)來分析血液樣本并檢測其中的微小變化。他們正在分析這些變化是否足夠具體,以便能夠在疾病的初始階段明確地診斷出疾病,這一技術(shù)可能會對癌癥等疑難雜癥的研究產(chǎn)生重大影響。

“阿秒時代”加速駛來?

2021年,《科學(xué)》雜志發(fā)布了“全世界最前沿的125個科學(xué)問題”,其中有超過10個問題需要通過超快科學(xué)解決。阿秒脈沖的出現(xiàn),有望助力多個科學(xué)和應(yīng)用研究領(lǐng)域涌現(xiàn)更多原始創(chuàng)新。

阿秒激光,并非大自然的饋贈,而是人造的奇跡。

法國物理學(xué)家安妮·呂利耶是第一個發(fā)現(xiàn)撬開阿秒世界工具的人。1987年,她在做氣體電離實驗中,將波長為1064納米的激光射入氬氣等幾種稀有氣體,氣體出現(xiàn)了與以往實驗不同的顏色。

她隨后發(fā)表了關(guān)鍵論文,發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)激光照射惰性氣體產(chǎn)生高次諧波的現(xiàn)象,并獲得了高次諧波典型的頻譜結(jié)構(gòu),其譜寬已經(jīng)能夠支持阿秒量級的脈沖,為激光脈沖突破至阿秒提供了先決性條件。自此,她的研究生涯和阿秒激光緊緊結(jié)合在一起。16年后,她帶領(lǐng)研究團(tuán)隊創(chuàng)造了世界紀(jì)錄,產(chǎn)生了170阿秒的最短激光脈沖。

和她一同獲得諾貝爾物理學(xué)獎的另外兩位科學(xué)家也不斷為“阿秒大廈”添磚加瓦:匈牙利人費(fèi)倫茨·克勞斯在2001年帶領(lǐng)研究團(tuán)隊制造并測量了第一個阿秒光脈沖,并用它來捕捉原子內(nèi)部電子的運(yùn)動,標(biāo)志著阿秒物理學(xué)的誕生。此外,他的團(tuán)隊還成功分離出持續(xù)650阿秒的脈沖,這是科學(xué)家第一次成功跟蹤電子從原子中脫離的過程。法國人皮埃爾·阿戈斯蒂尼是強(qiáng)場激光與原子相互作用的領(lǐng)軍人物,他和他的團(tuán)隊首次產(chǎn)生并測量了阿秒光脈沖,并用它們捕捉原子內(nèi)部電子運(yùn)動,開創(chuàng)了阿秒物理學(xué)的先河。

時至今日,在全球多個地方,更多科學(xué)家正在為爭奪相關(guān)領(lǐng)域制高點爭分奪秒。

實驗室里,碩果頻出:2022年,美國密歇根大學(xué)和德國雷根斯堡大學(xué)的研究人員合作,捕捉到了電子在幾百阿秒內(nèi)的運(yùn)動,這是迄今為止最快的速度。

同年,日本理化學(xué)研究所先進(jìn)光子學(xué)中心和東京大學(xué)的研究團(tuán)隊合作,開發(fā)了一種新型干涉儀,用于處理源于阿秒脈沖的光學(xué)干涉和物質(zhì)中電子態(tài)的量子干涉產(chǎn)生的條紋。他們通過使用氦原子樣本的實驗對高次諧波脈沖進(jìn)行后生成分裂,證明了干涉儀方案的可行性。

此外,國際上已經(jīng)開始展開阿秒激光設(shè)施的建設(shè)和競爭。由諾貝爾物理學(xué)獎獲得者熱拉爾·穆魯?shù)热顺珜?dǎo),歐盟率先在匈牙利開展了歐洲極端光設(shè)施——阿秒光源(ELI-ALPS)的建設(shè),并推動了Fastlite、Active Fiber、Light Conversion等國際知名激光科技公司的產(chǎn)品迭代升級,這些新一代激光技術(shù)將在先進(jìn)制造、國防科技等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

在中國,相關(guān)科研單位正大規(guī)模地開展有關(guān)阿秒光源的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),比如中國科學(xué)院物理所和松山湖材料實驗室在廣東東莞松山湖共建的阿秒科學(xué)中心。據(jù)了解,這一中心建成后綜合指標(biāo)有望實現(xiàn)國際領(lǐng)先。

文章來源:《環(huán)球》雜志,激光行業(yè)觀察

注:文章版權(quán)歸原作者所有,本文僅供交流學(xué)習(xí)之用,如涉及版權(quán)等問題,請您告知,我們將及時處理。


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