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

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