详解2023诺贝尔物理学奖：他们用光捕捉最短的瞬间，超越测量速度的极限

2023-10-03 11:10

2023 年 10 月 3 日北京时间 17 时 45 分许，2023 年诺贝尔物理学奖授予法国科学家皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），匈牙利裔奥地利科学家费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和法国/瑞典科学家安妮·吕利耶（Anne L'Huillier），以表彰他们“为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”。

皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），1968 年获得法国艾克斯-马赛大学博士学位，现任美国俄亥俄州立大学教授。

费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz），1962 年出生于匈牙利莫尔。1991 年获得奥地利维也纳科技大学博士学位，现任德国加兴马克斯普朗克量子光学研究所所长，德国慕尼黑路德维希马克西米利安大学教授。

安妮·吕利耶（Anne L'Huillier），1958 年出生于法国巴黎。1986 年获得法国巴黎皮埃尔和玛丽居里大学博士学位，现任瑞典隆德大学教授。

光脉冲中的电子

今年的获奖者在实验中创造了足够短的闪光，可以拍摄极快的电子运动的快照。安妮·吕利耶（Anne L'Huillier）发现了激光与气体中原子相互作用的新效应。皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）证明，这种效应可以用来产生比以前更短的光脉冲。

一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次，然而在我们看来，只能感觉到嗡嗡的声音和模糊的翅膀动作。对于人类的感官来说，快速的运动会变得模糊，而那些极短的事件则无法观测到——我们需要依靠特别的技术来捕捉或描绘这些非常短暂的瞬间。借助高速摄影和闪光灯，我们得以捕捉到那些转瞬即逝的现象的具体形貌。如果想要拍摄到飞行中蜂鸟的高清照片，那么就需要曝光时间比蜂鸟的单次振翅还要短得多。如果要捕捉到越快的事件，需要的拍摄速度也越快。

同样的原理适用于所有用于测量或描述快速运动过程的方法：任何测量都必须比目标系统发生明显变化的时间更快，否则就只能得到模糊的结果。今年的诺贝尔物理学奖获奖者在实验中展示了一种产生光脉冲的方法，这种脉冲足够短，足以捕获原子和分子内部过程的图像。

原子的自然时间尺度非常短。在分子中，原子可以在千万亿分之一秒（飞秒）内移动和旋转，这些运动可以用激光产生的极短脉冲来研究。但当整个原子运动时，时间尺度是由它们大而重的原子核决定的，与轻而灵活的电子相比，原子核的速度极其缓慢。当电子在原子或分子内部移动时，它们的移动速度非常快，以至于在飞秒尺度下都无法清晰描述了。在电子世界中，位置和能量以一到几百阿秒的速度变化，而阿秒是10^-18秒。

一阿秒非常短，一秒钟内的阿秒数与138亿年前宇宙诞生以来所经过的秒数相同。举一个离我们生活更近的例子，我们可以想象一束光从房间的一端发射到对面的墙壁——这需要100亿阿秒。

一直以来，飞秒被认为是可以产生的闪光的极限。只是改进现有技术还不足以看到电子在极其短暂的时间尺度上运动的过程——科学家需要一些全新的东西。而今年的获奖者开辟了阿秒物理学的全新领域。

电子在原子和分子中的运动非常快，测量尺度是阿秒量级。一秒钟的一阿秒，就像宇宙年龄中的一秒一样短。

高次谐波下更短的脉冲

光由波（电场和磁场中的波动）组成，它们在真空中的传播速度比其他任何东西都快。不同波长的光表现为不同颜色的色光。例如，红光的波长约为700纳米，约为头发丝宽度的百分之一，每秒振动约430万亿次。我们可以将最短的光脉冲视为光波中单个周期的长度，也就是光波上升到波峰、下降到波谷、再回到起点的一个周期。在这种情况下，普通激光系统中使用的激光波长永远无法低于飞秒量级，因此在 20 世纪 80 年代，这被视为对最短光脉冲的硬性限制。

根据波的数学原理，如果使用足够多的具有合适波长、频率和振幅（波峰和波谷之间的距离）的波，我们可以构建任意波形。而阿秒脉冲的诀窍在于，通过组合更多和更短的波来生成更短的脉冲。

电子的运动极快，因此如果想在原子尺度上观察电子运动，就需要足够短的光脉冲，这意味着需要组合许多不同波长的短波。

要想产生有史以来最短波长的光，我们需要的不仅仅是激光器，最关键的是理解激光穿过气体时出现的一种现象。当激光与气体中的原子相互作用时，会产生一种谐波——原始波中每个周期完成多个完整周期的波。我们可以将谐波与赋予声音特定特征的泛音进行比较，泛音使我们能够听出吉他和钢琴上演奏的相同音符之间的差异。

1987 年，法国一家实验室的安妮·吕利耶和她的同事利用穿过惰性气体的红外激光束演示了谐波的产生。与之前实验中使用的波长较短的激光相比，红外光产生的谐波更多且更强。在这个实验中，他们观察到许多光强大致相同的谐波。

泛音对于基音中的每个周期都有多个周期。谐波在光波中的工作方式与泛音类似。

在 20 世纪 90 年代，吕利耶在隆德大学发表了一系列文章，继续探索这种效应。她的研究结果有助于从理论上理解这一现象，为下一次实验突破奠定了基础。

逃逸电子产生谐波

当激光进入气体并影响其原子时，它会引起电磁振荡，扭曲原子核周围电子的电场，可令电子从原子中逃逸出来。然而，激光的电场是持续振荡的，当它改变方向时，松散的电子可能会冲回原子核。在电子的运动过程中，它从激光的电场中获得了大量额外的能量。为了重新回到靠近原子核的基态，电子必须以光脉冲的形式释放多余的能量。这些来自电子的光脉冲产生了实验中出现的谐波。

激光与气体中的原子相互作用

实验发现了激光产生谐波的机制。它是如何工作的？

1、与原子核结合的电子通常不能从原子中逃逸，它没有足够的能量将自己从原子电场形成的势井中拉升出来。

2、原子受到激光脉冲的影响，其电场会发生扭曲。当电子仅被狭窄的势垒所束缚时，量子力学允许其隧穿并逃逸。

3、自由电子仍然受到激光电场的影响并获得一些额外的能量。当电场转动并改变方向时，电子会被拉回。

4、为了重新附着在原子核上，电子必须摆脱其在逃逸途中获得的额外能量。这种能量以紫外线的形式发射，其波长与激光场的波长相关，并且根据电子移动的距离而有所不同。

光的能量与其波长相关。实验发射出的谐波中的能量与紫外线相当，其波长比可见光的波长短。由于能量来自激光的振荡，因此谐波的振荡将与原始激光脉冲的波长形成了优雅的比例。光与许多不同原子相互作用的结果是形成一组特定波长的不同光波。

一旦这些谐波出现，它们就会相互作用。当光波的峰值叠加时，产生的光就会变得更强，但当一个光波的波峰与另一个的波谷叠加时，产生的光就不那么强。在适当的情况下，谐波重合，从而出现一系列紫外光脉冲，其中每个脉冲的周期为几百阿秒。物理学家在 20 世纪 90 年代就理解了其背后的理论，但真正的突破发生在 2001 年，那时，科学家才真正识别并测试了这种脉冲。

用最短的光脉冲探索电子世界：当激光穿过气体时，气体中的原子会产生紫外光谐波。在适当的条件下，这些谐波可能是同步的。当它们的周期重合时，就会形成集中的阿秒脉冲。实验设置示例：激光被分成两束，其中一束用于产生一系列阿秒脉冲。然后将该脉冲序列添加到原始激光脉冲中，并将该组合用于执行极其快速的实验。

皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和他在法国的研究小组成功地制造出了一系列连续的、像是多个车厢串联的火车一样的光脉冲，并对其进行了研究。他们使用了一种特殊的技巧，将这个“脉冲列车”与原始激光脉冲的延迟部分放在一起，以查看谐波如何彼此同步。他们还测量了“脉冲列车”中脉冲的持续时间，发现每个脉冲仅持续 250 阿秒。

与此同时，费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和他在奥地利的研究小组正在研究一种可以挑选单个脉冲的技术——就像将火车上的一个车厢脱开并将其切换到另一条轨道一样。他们成功分离出了持续 650 阿秒的脉冲，该小组用它来跟踪和研究电子脱离原子束缚的过程。

这些实验证明阿秒脉冲可以被观察和测量，并且它们也可以用于新的实验。

现在阿秒世界已经触手可得，这些短脉冲光可以用来研究电子的运动。现在可以产生低至几十阿秒的脉冲，并且这项技术一直在发展。