科普：觀察微觀世界的“超級(jí)快門”
——2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)成果解讀
新華社北京10月3日電 瑞典皇家科學(xué)院3日宣布，將2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費(fèi)倫茨·克勞斯和安妮·呂利耶三位科學(xué)家，以表彰他們“為研究物質(zhì)中的電子動(dòng)力學(xué)而產(chǎn)生阿秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)方法”。
什么是阿秒？1阿秒是10的負(fù)18次方秒，也就是十億分之一秒的十億分之一。在這三位科學(xué)家的努力下，光脈沖已經(jīng)可以達(dá)到阿秒級(jí)。那么，創(chuàng)造如此短瞬間的光脈沖有哪些意義？
蜂鳥扇動(dòng)翅膀的頻率可達(dá)每秒80次，而我們只能看到翅膀模糊的影子。人類視覺感官不可能觀察到極短的事件，快速的運(yùn)動(dòng)看起來就是一片模糊，“捕捉”這些非常短暫的瞬間需要使用高速攝影。要獲得蜂鳥翅膀運(yùn)動(dòng)的清晰圖像，相機(jī)快門必須比蜂鳥翅膀運(yùn)動(dòng)的速度還快。也就是說，任何測(cè)量都必須比被測(cè)量對(duì)象變化的速度更快，否則結(jié)果就是“模糊”的。
而在物質(zhì)的微觀世界，粒子都是以極高的頻率在移動(dòng)。原子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度是飛秒，即10的負(fù)15次方秒，用激光脈沖（飛秒激光）可以觀察。但原子的運(yùn)動(dòng)比起電子的運(yùn)動(dòng)來說還是“慢得很”，因?yàn)殡娮舆\(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度是阿秒。電子在原子或分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)如此之快，以至于在飛秒級(jí)的光脈沖觀察下還是模糊不清�？茖W(xué)界認(rèn)識(shí)到，需要全新的技術(shù)以觀察到電子的運(yùn)動(dòng)。
光的波長和頻率成反比，人們可以想到的最短光脈沖就是光波的一個(gè)振動(dòng)周期。在這種情況下，普通波長的激光系統(tǒng)所產(chǎn)生的光脈沖無法低于飛秒，這是上世紀(jì)80年代科學(xué)界的普遍認(rèn)識(shí)。如何讓光脈沖達(dá)到阿秒級(jí)？科學(xué)家通過計(jì)算認(rèn)為，可以通過組合多個(gè)波長的短波激光脈沖來產(chǎn)生更短的光脈沖。
要組合新波長需要的不僅僅是激光，另一個(gè)關(guān)鍵是激光穿過氣體時(shí)產(chǎn)生一種現(xiàn)象：光與原子相互作用并產(chǎn)生諧波，那是在原始波的一個(gè)周期中完成多個(gè)完整周期的波。1987年，呂利耶在法國實(shí)驗(yàn)用一束紅外激光穿過惰性氣體，結(jié)果產(chǎn)生的諧波比之前用較短波長激光所產(chǎn)生的諧波更多更強(qiáng)。她在上世紀(jì)90年代繼續(xù)探索這種效應(yīng)，為下一個(gè)實(shí)驗(yàn)突破奠定了基礎(chǔ)。
光的能量與波長有關(guān)，越短波長的光能量越強(qiáng)。激光穿過氣體時(shí)產(chǎn)生諧波的能量相當(dāng)于紫外線，其波長比可見光短。激光與許多不同的氣體原子互動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生一組特定波長的諧波，而這些諧波又會(huì)相互作用，在適當(dāng)?shù)那闆r下會(huì)產(chǎn)生一系列紫外線光脈沖，每個(gè)脈沖的時(shí)間尺度為幾百阿秒。
實(shí)際識(shí)別和測(cè)試脈沖的突破發(fā)生在2001年。阿戈斯蒂尼在法國和他的研究小組成功創(chuàng)造和研究了一系列連續(xù)的諧波光脈沖，就像一列帶車廂的火車。他們使用了一種特殊的技巧讓光脈沖“列車”和延時(shí)的原始激光束放在一起，以觀察諧波。他們還實(shí)測(cè)出每個(gè)脈沖持續(xù)約250阿秒。與此同時(shí)，當(dāng)時(shí)在奧地利的克勞斯和他的研究小組研究出一種技術(shù)，可以分離出單個(gè)脈沖。他們成功分離的脈沖持續(xù)了650阿秒，該小組用它來跟蹤和研究電子從原子中“拉離”的過程。
三位科學(xué)家連續(xù)的突破表明，阿秒脈沖可以觀察和測(cè)量，并且也可以用于新的實(shí)驗(yàn)。如今，“阿秒物理學(xué)”的世界已經(jīng)打開，可以產(chǎn)生的光脈沖達(dá)到幾十阿秒量級(jí)，這些“超級(jí)快門”可以用來觀察電子的運(yùn)動(dòng)、探測(cè)原子和分子的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，也可以用在醫(yī)療診斷中識(shí)別不同的分子。
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