上海時間2023年10月3日17時45分，2023年諾貝爾化學學獎公布。得獎者分別是英國弗吉尼亞州立學院的皮埃爾·阿戈斯蒂尼（）、德國馬克斯·普朗克量子光學研究所的弗蘭克·克勞茲（）以及美國崇信學院的安妮·呂利耶（AnneL'）。
TheNobelPrizein2023wasto,andAnneL’"forthatoflightforthestudyofin"
得獎理由：
嘉獎她們創(chuàng)建了一種“產(chǎn)生阿秒光脈沖的實驗方式”，可用于檢測電子聯(lián)通或改變能量的快速過程，為人類探求原子和分子內(nèi)的電子世界提供了新工具。
阿秒是電子在原子內(nèi)部運動的時間尺度：電子繞氫原子核一周大概是150阿秒(1阿秒為10－18秒)；而阿秒化學學()是研究這樣一個超短時間尺度內(nèi)所形成的一切現(xiàn)象，其中包括原子內(nèi)部電子、原子核的運動。舉辦阿秒化學學研究將拓展在皮秒(1皮秒為10－15秒)時間尺度內(nèi)對分子的核運動的研究范圍，使直接觀測約100阿秒時間尺度內(nèi)電子的運動成為可能，這對于人們認識更短時間內(nèi)微觀世界的物質(zhì)運動將有特別重要的意義。
新型強悍超短脈沖激光的出現(xiàn)與發(fā)展，為人類提供了前所未有的全新實驗手段與極端的數(shù)學條件。就時間尺度而言，人類已由皮秒時代逐步邁向亞飛秒甚至阿秒時代，這對自然科學和人類社會的進步形成了重要影響。
納秒脈沖的形成是在極短時間尺度內(nèi)探求物質(zhì)動力學行為的關(guān)鍵。過去的十多年中，超快光學技術(shù)的發(fā)展早已將激光脈沖的長度減短到接近一個光學周期的自然極限，即其占空比在可見光頻度范圍內(nèi)稍微長于1皮秒(皮秒級脈沖可以實現(xiàn)對分子和相關(guān)物理變化過程中原子運動的頻域區(qū)分檢測)。并且，原子中的電子動力學行為是在阿秒的時間尺度演變，因而須要亞飛秒的脈沖來捕捉它們的運動。阿秒化學學即是研究亞飛秒、阿秒脈沖的形成及應用的一門新興科學。
阿秒脈沖的形成
阿秒脈沖的出現(xiàn)是新型強悍超短脈沖激光的迅速發(fā)展的結(jié)果。嚴格說來，純粹的光學脈沖不能被壓縮至1皮秒以內(nèi)(頻域和時域的轉(zhuǎn)換限制須要比可見波譜更寬的帶寬來形成亞飛秒脈沖)。但是，光學皮秒脈沖可以拿來形成高次紋波脈沖，該脈沖可持續(xù)阿秒時間，并跨越更大的頻度范圍，達到真空紫外波段和軟X射線波段，為探求新的化學過程開辟了公路。
阿秒脈沖形成過程依賴于高硬度皮秒脈沖中電場的快速振蕩。當光與原子相遇時量子通訊 優(yōu)點，高硬度電場能使價電子克服原子核的禁錮，從原子中逃逸下來。但是，外加電場又迅速反向，將逃逸的電子重新拉回原子核；而被重新捕獲的電子將其額外能量以脈沖幅射的方式在幾百阿秒的時間內(nèi)釋放下來。假如驅(qū)動的激光是長脈沖，這時形成的阿秒脈沖是一個脈沖鏈，脈沖之間的間隔為半個激光周期。
這樣的脈沖鏈還無法觀測到原子、分子內(nèi)部電子的動力學過程。要清晰地觀測到物質(zhì)內(nèi)部電子的運動，還須要單個的阿秒脈沖――單個的亞飛秒脈沖形成于由只包括幾個光學振蕩的、脈寬為幾個皮秒的周期量級超短激光脈沖驅(qū)動和控制的電子與母離子的二次碰撞過程。這無疑應歸功于激光脈沖壓縮和功率放大技術(shù)的發(fā)展。
而周期量級皮秒脈沖及其與物質(zhì)互相作用過程中形成的軟X射線脈沖，打開了在阿秒時間尺度探求原子和分子中發(fā)射電子運動的房門，目前舉辦了偵測由X射線協(xié)同周期量級超短激光脈沖的振蕩電場電離形成的光電子的研究。通過觀測這些被理解為光場驅(qū)動白色單反模式下的光電子發(fā)射，可以得到阿秒脈沖的長度。在同樣的實驗系統(tǒng)中，跟蹤直接出射光電子以外的散射電子的運動軌跡，提供了在頻域研究內(nèi)殼層原子或分子動力學的途徑。
阿秒脈沖的應用
目前，阿秒脈沖最直接的應用是原子內(nèi)部電子過程的觀測。眾所周知，物質(zhì)是由分子和原子組成的，但它們不是靜止的，這是微觀物質(zhì)的一個特別重要的基本屬性。而皮秒激光的出現(xiàn)，使人類第一次在原子和電子層面上觀察到這一運動過程。上世紀80年代末，加洲理工大學的院長采用皮秒激光技術(shù)，拍攝到了100萬億分之1秒頓時處于物理反應中的原子的物理鍵破裂和產(chǎn)生以及單個原子的運動過程，促使人們可以通過“慢動作”來觀察處于物理反應過程中的原子與分子的轉(zhuǎn)變狀態(tài)，從根本上改變了我們對物理反應過程的認識。院士因此開辟了皮秒物理的研究領(lǐng)域，并于1999年獲得諾貝爾物理獎。
皮秒科學似乎對化學和物理的發(fā)展形成了巨大的影響，但對于像電子的運動來說，皮秒還是太慢了(電子震動的時間單位是另一層次──阿秒的世界)。紅外線與可見光一次震動須要幾個皮秒，未能實現(xiàn)阿秒時間尺度的檢測；而阿秒脈沖的魅力在于它開辟了一個新的時間幅員――和皮秒脈沖很相像，阿秒脈沖在高于1皮秒的爆光時間內(nèi)可攝入原子中電子動力學快照的嶄新應用，必定在微觀世界的研究中起到開疆破土的重要作用。
不僅闡明自然科學的奧妙之外，阿秒脈沖會對人們的工作和生活有哪些影響？想想皮秒激光是怎樣改變?nèi)藗兊纳畹摹Ｆっ爰す獾某霈F(xiàn)使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運動過程，并在數(shù)學學、生物學、化學控制反應、光通信等領(lǐng)域中得到了廣泛應用。非常值得提出的是，因為皮秒激光具有快速和高幀率特點，它在腫瘤初期確診、醫(yī)學成像和生物活體檢查、外科醫(yī)療及超大型衛(wèi)星的制造上都有其獨到的優(yōu)點和不可取代的作用。
包括高功率皮秒激光在醫(yī)學、超精細微加工、高密度信息儲存在內(nèi)等領(lǐng)域有著挺好的發(fā)展前景，如高功率皮秒激光可以將大氣擊穿，因而制造放電通道，實現(xiàn)人工引雷，防止客機、火箭、發(fā)電廠因天然雷擊而導致的災難性破壞；借助皮秒激光可以有效地加速電子，使加速器的規(guī)模得到上千倍的壓縮；了解了這種以后，雖然目前阿秒脈沖的研究還處于起步階段，但誰還不對阿秒脈沖巨大的潛在應用滿腔向往？
阿秒科學的現(xiàn)況
阿秒脈沖的魅力在于它開辟了一個新的時間幅員，這和上世紀80年代時的皮秒脈沖很相像：皮秒脈沖記錄了當時能捕獲的最快的風波，向人們展示了先前未曾見過的化學和物理過程，進而開辟了皮秒物理的新領(lǐng)域；而阿秒脈沖將能闡明原子過程中的電子運動，這更迸發(fā)了研究者們對阿秒脈沖的好奇心。
目前阿秒科學的研究主要集中在以下幾個方面：
首先，阿秒脈沖的生成與檢測，怎么得到更短納秒的單個阿秒脈沖以及怎么提升生成阿秒脈沖的硬度，是當前阿秒科學研究的一個核心問題，也是阿秒科學進一步發(fā)展的前提和基礎(chǔ)；其次，借助阿秒脈沖偵測原子分子內(nèi)部的電子運動，如前所述，歐美的一些科學家們早已借助得到的阿秒脈沖舉辦了先驅(qū)性的工作，國外的多個研究機構(gòu)量子通訊 優(yōu)點，如北京光機所等也早已舉辦相關(guān)的研究，并取得了令人矚目的成績。
法國的化學學家在阿秒科學的研究中處于領(lǐng)先地位。她們首次高次紋波生成的阿秒脈沖記錄下氪原子被X光迸發(fā)后，原子隨即發(fā)生的電子重新排列過程。這是科學家第一次成功用阿秒激光來觀測電子的躍遷過程。其后，可重復單脈沖技術(shù)的發(fā)展為阿秒數(shù)學學的各類實驗的舉辦奠定了基礎(chǔ)。諸如，普朗克量子光學研究所的，借助阿秒脈沖觀察氪原子在消除一個內(nèi)核層電子以后其內(nèi)部電子的重新排列。
其實迄今為止最新奇的實驗莫過分在維也納技術(shù)學院所做的新版本的精典雙縫實驗。精典雙縫實驗中電子通過空間的一對狹縫形成干涉，而在新版的雙縫干涉實驗中，使用鈦藍寶石激光器形成的5毫秒脈沖激光，形成時間上的狹縫――脈沖將氣室外氬原子的電子電離，在兩邊同時安裝了探測器監(jiān)視被脈沖電離出的電子，并發(fā)覺在偵測器上最終出現(xiàn)了干涉粉色。
在美國，比勒菲爾德學院的第一次成功用阿秒激光來檢測氪原子被X光迸發(fā)后，電子隨時間的躍遷過程。假如在過去，這些實驗使用皮秒激光是不可能做下來的。由于原子周圍的電子其躍遷過程相當快速，這相對于原子周圍的電子躍遷的速率仍嫌太慢，只有阿秒脈沖能夠完成這樣的泵浦－偵測實驗。
中國的科學家對阿秒科學的發(fā)展起到了一定的促進作用。早在十幾年前，中科院武漢光學精密機械研究所就舉辦了超短強悍激光化學科學的理論和實驗研究，并把阿秒脈沖的形成作為重要研究內(nèi)容之一，提出了形成阿秒脈沖和提升脈沖硬度的多種方案。華南師范學院化學系、中科院沈陽化學所等多家研究機構(gòu)也在該領(lǐng)域作出了突出的成績。
結(jié)束語
阿秒科學的研究正在盛行，無論是理論上還是實驗上都處在重大突破的前夜。我們中國的科研工作者有望在這一新興科學領(lǐng)域迎面趕上，尚大有可為。
