日本皇家科大學(xué)決定將2023年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)授予、和AnneL’，“表彰她們?yōu)檠芯课镔|(zhì)中的電子動(dòng)力學(xué)而形成阿秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)技巧”。
2023年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)的三位得主被嘉獎(jiǎng)是由于她們的實(shí)驗(yàn)為人類提供了探求原子和分子內(nèi)部電子世界的新工具。，和AnneL’創(chuàng)造了一種可以生成極短光脈沖的方式，這種光脈沖可以拿來檢測(cè)電子快速的運(yùn)動(dòng)和能量變化過程。
人類感知快速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，每剎那間的感知就會(huì)流動(dòng)向下剎那間，如同播放影片時(shí)快速放映的圖片被我們看作連續(xù)運(yùn)動(dòng)的風(fēng)波一樣。若想要探究真正瞬時(shí)發(fā)生的風(fēng)波，我們須要特殊的技術(shù)。在電子的世界里，變化發(fā)生在一個(gè)阿秒——10^（-18）秒——的時(shí)間內(nèi)。阿秒有多短？一阿秒之于1秒，相當(dāng)于1秒之于宇宙的歲數(shù)。
這種得獎(jiǎng)?wù)叩膶?shí)驗(yàn)?zāi)苄纬墒侄虝旱墓饷}沖，可以阿秒為單位進(jìn)行檢測(cè)，因而能提供原子和分子內(nèi)部過程的圖象。1987年，AnneL’發(fā)現(xiàn)，當(dāng)她將紅外激光穿過一種惰性二氧化碳時(shí)，會(huì)形成許多不同的光波紋波，每位紋波都是具有激光周期且一定數(shù)目循環(huán)的光波。這種紋波是由激光光線與二氧化碳中的原子互相作用形成的。這促使一些電子獲得額外的能量，以光的方式發(fā)射下來。AnneL’一直在探求這一現(xiàn)象，為隨即的突破奠定了基礎(chǔ)。
2001年，成功地制出并研究了一系列持續(xù)時(shí)間僅為250阿秒的連續(xù)光脈沖。與此同時(shí)，正在進(jìn)行另一種類型的實(shí)驗(yàn)，使其才能分隔持續(xù)時(shí)間為650阿秒的單個(gè)光脈沖。
這種諾貝爾獎(jiǎng)得主的貢獻(xiàn)使我們能對(duì)之前未能跟蹤的極快速過程進(jìn)行研究。
“通往電子世界的房門現(xiàn)今對(duì)我們敞開了。阿秒化學(xué)學(xué)為我們提供了理解與電子有關(guān)的機(jī)制的機(jī)會(huì)。下一步將是借助它們。”諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)主席Eva表示。
這項(xiàng)研究在許多不同領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用。比如，在電子學(xué)中，了解和控制電子在材料中的行為十分重要。而在醫(yī)學(xué)確診中，阿秒脈沖也可以用于辨識(shí)不同的分子。
中科院化學(xué)所研究員曹則賢對(duì)《返樸》表示，光是我們同遠(yuǎn)方的聯(lián)系，也是我們深入微觀世界的惟一工具。光與電子是微觀化學(xué)，非常是量子熱學(xué)的主題。知名的1927年第五次索爾維大會(huì)的主題就是光子與電子。阿秒光脈沖的實(shí)現(xiàn)是光學(xué)和光學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，也賦于我們以研究更短時(shí)段內(nèi)、更小尺度上的數(shù)學(xué)量現(xiàn)象非常是與電子有關(guān)的現(xiàn)象的可能。2023年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)嘉獎(jiǎng)三位得獎(jiǎng)人在“intoinoflight”的方面的成就,具體地說是用超快波譜研究電子的運(yùn)動(dòng),實(shí)至名歸。
，1968年獲得日本艾克斯-馬賽學(xué)院博士學(xué)位。歷任韓國科羅拉多州立學(xué)院院長。
，1962年生于法國莫爾。1991年從法國維也納科技學(xué)院獲得博士學(xué)位。英國馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所主任，法蘭克福路德維希-馬克西米利安學(xué)院院長。
AnneL’，1958年生于美國米蘭。1986年從倫敦皮埃爾和瑪麗·居里學(xué)院獲得博士學(xué)位。歷任美國崇信學(xué)院院長。
下文是一篇科普舊文，供你們一并參考。
撰文|周勝鵬劉愛華（四川學(xué)院原子與分子化學(xué)研究所）
在以化石能源為動(dòng)力的現(xiàn)代交通工具出現(xiàn)曾經(jīng)，馬作為最快的交通工具早已為人類服務(wù)了幾千年。千百年來，無數(shù)人好奇馬在奔跑過程中，是四腳騰空，還是一直有一蹄著地。在拍照技術(shù)出現(xiàn)后，人們就開始考慮用拍照技術(shù)來解決這一問題。在攝影技術(shù)中，一個(gè)“快門”時(shí)間內(nèi)可以爆光并記錄一個(gè)動(dòng)作，動(dòng)作發(fā)生時(shí)間越短，須要記錄它的“快門”就相應(yīng)地要求越短，否則圖象都會(huì)出現(xiàn)虛影。但初期的拍照技術(shù)爆光時(shí)間長，成像速率慢。直至1878年，改進(jìn)了快門的拍照機(jī)得以應(yīng)用，才由邁布里奇拍攝了一組賽馬奔跑的相片(見圖1)。邁布里奇的相片清晰地表明了，在牲畜奔跑中的某一時(shí)刻，它的四蹄是全部離地的。為此，提升拍照機(jī)的快門速率(時(shí)間辨別能力)，可以讓我們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)提升到一個(gè)更高水平。
圖1邁布里奇1878年拍攝賽馬奔跑時(shí)的相片
現(xiàn)在，人類的偵測(cè)器早已飛出了太陽系，而天文學(xué)家們的觀測(cè)范圍更是達(dá)到了數(shù)百億光年。空間的距離，可以通過光的傳播進(jìn)行檢測(cè)，空間的幀率則弄成了在時(shí)間上要求更高的幀率(更快的快門)。對(duì)于時(shí)間的幀率，人們經(jīng)常會(huì)用到以下幾個(gè)關(guān)于時(shí)間的單位：納秒(1ps=10^（-12）s)，皮秒(1fs=10^（-15）s)和阿秒(1as=10^（-18）s)。
為了理解和體會(huì)這幾個(gè)單位的時(shí)間寬度，我們看一下光在相應(yīng)時(shí)間單位內(nèi)可以傳播多長距離：一秒內(nèi)光傳播30萬千米，可以環(huán)繞月球約7.5次，在1ps時(shí)間內(nèi)，只能傳播30cm的距離；在1fs時(shí)間內(nèi)，則只能傳播0.3μm，這個(gè)距離甚至不到一根毛發(fā)絲的百分之一；而在1as時(shí)間內(nèi)，光只能傳播0.3nm，也就是3個(gè)緊緊排在一起氫原子的寬度(或則說，1as的時(shí)間還不夠光繞氫原子的“赤道”跑一圈)。
當(dāng)人們對(duì)世界觀察的時(shí)間尺度達(dá)到了阿秒量級(jí)，人們可觀察的空間區(qū)分也才能達(dá)到原子尺度(0.1nm)和亞原子的尺度了。在這樣的時(shí)間和空間尺度范圍，人們對(duì)生物、化學(xué)和化學(xué)的研究邊界也顯得不斷模糊，由于這種微觀現(xiàn)象的癥結(jié)在于電子的運(yùn)動(dòng)。這種微觀過程中電子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度可以從幾十皮秒到更小幾十阿秒，如氫原子中電子繞核一周的時(shí)間為152as。阿秒光脈沖的出現(xiàn)使人們還能結(jié)合阿秒量級(jí)的超高時(shí)間幀率和原子尺度的超高空間幀率，實(shí)現(xiàn)對(duì)原子-亞原子微觀世界中的極端超快過程的控制和了解的夢(mèng)想。
哪些是阿秒光脈沖
阿秒光脈沖是一種發(fā)光持續(xù)時(shí)間極短的光脈沖，其脈沖長度大于1fs。為了更好地認(rèn)識(shí)阿秒光脈沖，我們須要了解激光的形成和發(fā)展過程。
激光是一種具有發(fā)射方向單一、強(qiáng)度極高且相干性好等特征新型光源。激光的英語名為laser，即是“Lightbyof”的簡寫，字面意思為受激幅射對(duì)光進(jìn)行放大。中國化學(xué)學(xué)家錢學(xué)森取其意將其命名為“激光”。20世紀(jì)60年代，韓國加洲休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼研制出了世界上的第一束激光。
按照發(fā)光持續(xù)時(shí)間的長短，激光通常被分類為連續(xù)激光和脈沖激光。連續(xù)激光才能在長時(shí)間內(nèi)形成激光但輸出的功率較低。脈沖激光工作方法是在一個(gè)個(gè)間隔的小時(shí)間段內(nèi)發(fā)射光脈沖，其峰值功率很高。從20世紀(jì)激光誕生開始到其后的80年代，脈沖激光的單個(gè)脈沖時(shí)間可以達(dá)到飛秒量級(jí)。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光的脈沖長度也在不斷縮小。1981年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的福克等人采用鎖模技術(shù)將脈沖激光的脈沖長度縮小到大于100fs。2001年，摩爾多瓦維也納技術(shù)學(xué)院的克勞茨研究組在實(shí)驗(yàn)上成功地借助二氧化碳高次紋波形成了占空比為650as的單個(gè)光脈沖，使光脈沖長度達(dá)到阿秒量級(jí)。
超短的光脈沖有助于提升人們觀察微觀粒子高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間碼率，如同高速單反容許人們記錄如爆燃的汽球或高速的炮彈等更快的風(fēng)波一樣。皮秒激光的出現(xiàn)使人類第一次在原子和分子層面上觀察到超快運(yùn)動(dòng)過程。我們這個(gè)世界的物質(zhì)大都是由分子和原子組成，它們都在不停地急速運(yùn)動(dòng)著，這是微觀物質(zhì)的一個(gè)特別重要的基本屬性。皮秒激光可以讓人們把物理反應(yīng)過程拍成“電影”并對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行研究。而物理反應(yīng)的本質(zhì)是原子與分子中電子的運(yùn)動(dòng)。為了愈發(fā)深入地觀察電子的運(yùn)動(dòng)以及對(duì)其進(jìn)行控制，皮秒激光所才能達(dá)到的時(shí)間區(qū)分尺度以及對(duì)應(yīng)的空間區(qū)分尺度(100nm)似乎是不能滿足條件的。而現(xiàn)今實(shí)驗(yàn)上所能獲得的阿秒光脈沖的脈沖長度早已才能達(dá)到甚至短于電子在原子中的運(yùn)動(dòng)周期。阿秒光脈沖這些超短的時(shí)間區(qū)分能力早已為基于研究電子運(yùn)動(dòng)的阿秒科學(xué)打開了房門。
阿秒光脈沖出現(xiàn)之前
在激光形成以后，人們就在追求脈沖激光的更高硬度和更短脈沖時(shí)間過程中對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了不斷改進(jìn)。其中，激光鎖模技術(shù)的發(fā)明推動(dòng)了皮秒激光的誕生，啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）以及腔外脈沖壓縮技術(shù)等的出現(xiàn)則為形成高硬度激光提供了可靠的方案并為阿秒光脈沖的出現(xiàn)鋪平了公路。
激光鎖模技術(shù)才能讓大量高度相干、位相鎖定的激光縱模同時(shí)振蕩，合成一個(gè)時(shí)間長度極短的高功率脈沖。
初期的鎖模激光技術(shù)是在固體激光增益介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)，形成的激光脈沖長度大于100ps。后來，在日本化學(xué)學(xué)家豪斯被動(dòng)鎖模理論的指導(dǎo)下，碰撞脈沖鎖模形式(CMP)才能讓激光脈沖長度達(dá)到100fs。20世紀(jì)80年代，人們對(duì)固體激光介質(zhì)展開了一系列的研究工作，在運(yùn)用鈦藍(lán)寶石(Ti：)激光系統(tǒng)時(shí)發(fā)覺的自鎖模現(xiàn)象為超短激光的發(fā)展帶來了技術(shù)革命。
自鎖模現(xiàn)象是因?yàn)榉蔷€性介質(zhì)中的克爾效應(yīng)所導(dǎo)致，所以也被稱為克爾透鏡鎖模。1999年，俄羅斯麻省理工大學(xué)的莫格納等人借助克爾透鏡鎖模技術(shù)除了讓激光脈沖長度達(dá)到了5.4fs，還致使脈沖長度短于兩個(gè)光學(xué)周期。借助皮秒激光的泵浦——探測(cè)技術(shù)，人們前所未有地觀察到了物理反應(yīng)的中間過程，并成功地控制了物理鍵的成鍵與破裂。從事該工作的澤韋爾院士也因而獲得1999年諾貝爾物理獎(jiǎng)。
通過鎖模技術(shù)獲得脈沖長度達(dá)到幾個(gè)皮秒的超短脈沖激光的同時(shí)，激光的輸出功率也得到了極大的提高。并且隨著激光輸出功率的提升，激光增益介質(zhì)會(huì)由于自聚焦等非線性光學(xué)效應(yīng)而發(fā)生損傷，因而脈沖激光的峰值功率遭到激光介質(zhì)破壞閥值的限制。這一限制在歷時(shí)六年的時(shí)間內(nèi)沒有獲得大突破，激光器的輸出功率密度也仍然在10^12W/cm^2附近止步不前。
1985年，加拿大考文垂學(xué)院的穆魯和斯特里克蘭三人首先提出了激光CPA技術(shù)，它能極大減少高功率激光放大過程中非線性效應(yīng)對(duì)激光介質(zhì)的破壞。CPA技術(shù)的基本原理是通過色散技術(shù)在放大前分散激光種子脈沖的能量，放大后再借助色散技術(shù)逆向?qū)⒓す饷}沖的時(shí)間長度壓縮到原先的狀態(tài)，最終超短脈沖激光的硬度得到極大提高。隨著CPA技術(shù)廣泛應(yīng)用，大型化的皮秒100TW(1TW=10^12W)級(jí)和1PW(1PW=10^15W)級(jí)的強(qiáng)悍超短激光系統(tǒng)早已屢見不鮮。CPA技術(shù)目前早已在世界上所有高功率激光器(超過100TW)上使用。穆魯和斯特里克蘭因此也獲得了2018年的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。
阿秒光脈沖的形成
人們?nèi)匀辉跒樾纬筛痰墓饷}沖努力著，從100ps到100fs，再到幾個(gè)皮秒，直至少周期的皮秒激光出現(xiàn)，短脈沖技術(shù)停下了步伐。此時(shí)，人們很難讓脈沖的包絡(luò)短于一個(gè)光學(xué)周期。以800nm波長的激光為例，一個(gè)光周期的寬度為2.66fs，激光的脈沖長度就很難再短于這個(gè)時(shí)間了。雖然2013年有一個(gè)日本的研究小組成功地將皮秒紅外激光的波譜紊流至250~，并最終壓縮至415as，但她們所采用的傳統(tǒng)光學(xué)脈沖壓縮方式很難將激光脈沖的時(shí)間長度進(jìn)一步減短。其實(shí)，為了獲得更短的阿秒光脈沖，人們必須使用更短的擴(kuò)頻波長來支持更短的脈沖長度。
為了形成更短的擴(kuò)頻波長，人們須要從光形成的基礎(chǔ)理論上得到突破。在阿秒光脈沖出現(xiàn)之前，形成超短脈沖激光的理論基礎(chǔ)仍然是愛因斯坦的基態(tài)躍遷受激幅射。依據(jù)受激幅射理論，處于禁錮基態(tài)上的電子只能在原子核附近運(yùn)動(dòng)，所存儲(chǔ)的能量有限。通常上下兩基態(tài)躍遷所發(fā)射光子對(duì)應(yīng)的波長都處在可見光附近，可見光一個(gè)光學(xué)周期通常都在1fs以上，畢竟無法拿來進(jìn)一步形成更短的阿秒光脈沖。那若果讓電子不禁錮在原子核附近而是自由放飛會(huì)是哪些情況呢？
圖2提出精典三步模型的科克姆院士(中)
1993年，美國化學(xué)學(xué)家科克姆提出了知名的精典三步模型，該模型為長波長光(極紫外至X射線)形成奠定了理論基礎(chǔ)(見圖2)。精典三步模型將在強(qiáng)激光作用下原子中的電子運(yùn)動(dòng)分為三個(gè)過程：隧穿電離、激光加速和回核(見圖3)。（1）隧穿電離：原子內(nèi)部庫侖力的硬度接近于一個(gè)原子單位(3.55×10^16W/cm^2)，人們通過CPA獲得的激光硬度已達(dá)到了10^14到10^15W/cm^2，這一硬度早已才能與原子內(nèi)部的庫侖力相比擬了。此時(shí)，電子就能否以隧穿電離的方式甩掉庫侖禁錮。從量子熱學(xué)的角度來講，這一個(gè)微觀風(fēng)波的發(fā)生機(jī)率與弱激光作用于原子的多光子電離機(jī)率相比得到了極大提升。（2）激光加速：當(dāng)電子甩掉原子核的庫侖力物理切割，其運(yùn)動(dòng)幾乎完全由激光電場(chǎng)控制，但是電子的運(yùn)動(dòng)軌跡可以很便捷的采用精典牛頓熱學(xué)進(jìn)行描述。（3）回核：因?yàn)榧す怆妶?chǎng)是往復(fù)振蕩，電子在激光電場(chǎng)的作用下最后會(huì)回到原子核附近。在回到原子核的過程中，電子被激光電場(chǎng)加速獲得很高的能量。當(dāng)電子回到原子核，電子的能量以形成高次紋波方式釋放這部份能量，幅射高能量光子。釋放的光子能量為電子在回到原子核過程獲得的動(dòng)能和電子電離能的總和。為此，電子在激光中加速獲得的動(dòng)能越多，光子的能量就越高。
圖3精典三步模型示意圖
1993年，諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)獲得者亨施提出對(duì)高次紋波采用傅里葉合成的方式形成阿秒光脈沖。一般，人們對(duì)一束多周期的激光脈沖作用于原子分子形成的高次紋波采用這些方式合成得到的是阿秒光脈沖串，這種脈沖總厚度通常在幾皮秒到幾十皮秒的量級(jí)。而想獲得阿秒時(shí)間尺度的超快時(shí)間區(qū)分，必需要從阿秒光脈沖串中選出一個(gè)孤立的阿秒光脈沖，即單阿秒光脈沖。形成單阿秒光脈沖的基本辦法是在驅(qū)動(dòng)激中信部份周期里抑制高次紋波發(fā)射，只在半個(gè)光學(xué)周期的時(shí)間窗口里容許高次紋波發(fā)射，這個(gè)時(shí)間窗口被稱為時(shí)間門。依據(jù)該單阿秒光脈沖形成的規(guī)律，人們從理論上來探求獲得超短的單阿秒光脈沖。
1994年，萊文斯坦小組提出了基于量子理論的高次紋波形成的強(qiáng)場(chǎng)近似模型(SFA)。在這個(gè)理論中，她們假定(i)不考慮迸發(fā)態(tài)的貢獻(xiàn)；(ii)忽視能級(jí)的衰減；(iii)連續(xù)態(tài)電子不受原子核的庫侖作用。1996年，萊文斯坦小組從理論上證明了單原子模型的估算可以形成阿秒光脈沖。在同一年，赫里斯托夫等人采用單原子三維模型估算借助大于10fs的激光脈沖形成寬帶高效紋波，再通過混頻可以形成100as左右的X射線阿秒光脈沖。
與此同時(shí)，高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展促使數(shù)值求解單原子模型的含時(shí)薛定諤多項(xiàng)式(TDSE)成為一種重要的研究方式。德克薩斯州立學(xué)院的林昆山研究小組發(fā)展了QRS()理論。該理論基于量子散射理論的強(qiáng)場(chǎng)互相作用理論，把在激光電場(chǎng)作用下的返回電子與原子核的互相作用作為一個(gè)散射過程，從最終的高次紋波或則光電子剖析得到互相作用的信息。此模型的估算結(jié)果與TDSE模擬的結(jié)果十分相仿，估算量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于求解TDSE。
因?yàn)閱伟⒚牍饷}沖的形成須要有效控制高次紋波的發(fā)射時(shí)間，而這個(gè)發(fā)射時(shí)間與電子的運(yùn)動(dòng)軌跡密切相關(guān)，因而，人們通常通過調(diào)制激光電場(chǎng)控制電子的運(yùn)動(dòng)從而形成單阿秒光脈沖。一般，人們采用多色聯(lián)合激光電場(chǎng)來控制電子的運(yùn)動(dòng)，這樣才能有效控制高次紋波的發(fā)射時(shí)間。理論研究表明，通過調(diào)節(jié)振幅比、偏振、波長比、相對(duì)延后、相位等參數(shù)優(yōu)化的多色整形脈沖激光，可以有效控制電子的運(yùn)動(dòng)軌跡物理切割，從而提升高次紋波豐度和減短阿秒光脈沖的時(shí)間間距。
在實(shí)驗(yàn)上，人們按照高次紋波形成對(duì)驅(qū)動(dòng)激光各類特點(diǎn)的依賴關(guān)系設(shè)計(jì)了好多技術(shù)方案，而且所采用的驅(qū)動(dòng)脈沖激光均為少周期的強(qiáng)皮秒脈沖激光。2008年，古爾利馬基斯等人借助了高次紋波形成過程對(duì)激光硬度高度非線性依賴的特點(diǎn)，采用擴(kuò)頻包絡(luò)相位穩(wěn)定的3.3fs超短激光脈沖，檢測(cè)獲得80as的單阿秒光脈沖。這一技術(shù)方案被稱為少周期激光脈沖泵浦激光方案，并且其在實(shí)現(xiàn)過程中對(duì)技術(shù)要求較高。采用偏振光時(shí)間門技術(shù)可以以相對(duì)較低的技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)單阿秒光脈沖形成，目前這一技術(shù)早已十分成熟。
偏振光時(shí)間門是借助高次紋波形成效率對(duì)泵浦脈沖激光的偏振光性質(zhì)十分敏感這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)。2006年，桑索內(nèi)等借助偏振光時(shí)間門技術(shù)使用5fs的激光脈沖形成130as的單阿秒光脈沖。同樣基于偏振光時(shí)間門技術(shù)的原理，法國密西西比州立學(xué)院常增虎院士等提出了雙光學(xué)時(shí)間門和廣義雙光學(xué)時(shí)間門方案，她們可以讓形成單阿秒光脈沖的驅(qū)動(dòng)激光脈沖長度歷時(shí)28fs。雙色場(chǎng)時(shí)間門方案則是借助高次紋波形成對(duì)激光電場(chǎng)硬度的敏感特點(diǎn)，采用頻域激光疊加一個(gè)外頻激光電場(chǎng)合成驅(qū)動(dòng)激光電場(chǎng)。中國科大學(xué)重慶光學(xué)精密機(jī)械研究所曾志男等人采用雙色相干控制方式可以獲得148eV的超寬波譜，理論上那么寬的波譜可以合成大于24as的超短阿秒光脈沖。
據(jù)悉其他的技術(shù)方案也能有效的形成單阿秒光脈沖，如被稱為電離時(shí)間門的技術(shù)方案，這一方案是通過在極短時(shí)間內(nèi)將原子的能級(jí)電子電離空，可以采用較長的激光脈沖來形成單阿秒光脈沖。
近些年來，阿秒光脈沖的脈沖長度紀(jì)錄在不斷地被刷新。2012年，常增虎院士研究小組借助其提出的雙光學(xué)時(shí)間門方案，形成了67as的單阿秒光脈沖。2017年7月在南京舉辦的第六屆國際阿秒化學(xué)大會(huì)上，常增虎院士研究小組和英國的沃納研究小組同時(shí)宣布了借助中紅外激光采用偏振光門技術(shù)形成了53as的單阿秒光脈沖。一個(gè)多月后，沃納研究小組經(jīng)過優(yōu)化，突破了50as大關(guān)，形成了43as的單阿秒光脈沖。這也是目前最快的阿秒光脈沖。
目前國外在超短阿秒光脈沖形成的技術(shù)上也取得了挺好的進(jìn)展，中國科大學(xué)化學(xué)研究所魏志義研究小組采用振幅時(shí)間門獲得了160as的阿秒光脈沖。進(jìn)一步減短阿秒光脈沖的時(shí)間長度，以及降低阿秒光脈沖的輸出能量是科學(xué)家們的一個(gè)常年追求的目標(biāo)。
隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)缫芽梢孕纬蓭讉€(gè)甚至幾十個(gè)毫焦耳的3~5μm的中紅外驅(qū)動(dòng)光源用于形成阿秒光脈沖。按照高次紋波形成理論，單個(gè)光子的最大能量反比于激光光強(qiáng)和激光波長的平方，因而在未來采用更強(qiáng)且波長更長的紅外驅(qū)動(dòng)激光更適宜形成更短的阿秒光脈沖來刷新紀(jì)錄。
阿秒光脈沖的應(yīng)用
阿秒光脈沖具有極端超快的特點(diǎn)，這是一件十分酷的事情，人們采用阿秒光脈沖結(jié)合泵浦——探測(cè)技術(shù)早已可以偵測(cè)數(shù)十阿秒的超快電子動(dòng)力學(xué)過程，而且還能在原子尺度內(nèi)實(shí)時(shí)控制電子的運(yùn)動(dòng)。阿秒光脈沖的應(yīng)用是人類正在開拓的一個(gè)全新科學(xué)領(lǐng)域，它除了能幫助科研人員剖析原子和分子內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)過程、原子核結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)數(shù)學(xué)學(xué)問題，也在為材料科學(xué)和生命科學(xué)等提供全新的研究手段。
目前，人們應(yīng)用阿秒光脈沖研究原子和分子中的超快電子動(dòng)力學(xué)，關(guān)于原子的化學(xué)現(xiàn)象主要是原子內(nèi)電子電離、多電子俄歇衰變、電子迸發(fā)弛豫和成像等，而關(guān)于分子的研究主要是分子的解離過程和控制、分子的震動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)與超快電子運(yùn)動(dòng)的耦合等。比如，英國的克勞茨研究組采用250as的阿秒光脈沖作用氖原子和氙原子研究電子的迸發(fā)和隧穿電離，觀察到了氖的二價(jià)正離子的豐度上升時(shí)間為400as。2017年，新加坡的維倫紐夫研究組采用阿秒脈沖串聯(lián)合紅外激光電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)氖原子的阿秒電子波包的成像(見圖4)。
圖4采用阿秒光脈沖串聯(lián)合紅外激光對(duì)阿秒電子波包成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(上)和理論結(jié)果(下)
人們對(duì)匯聚態(tài)化學(xué)中的許多超快電子過程也有極昌平趣，那些過程包括表面電子屏蔽效應(yīng)、熱電子、電子空穴動(dòng)力學(xué)等。采用阿秒光脈沖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制那些匯聚態(tài)中的超快電子過程將有助于改進(jìn)基于電子的信息技術(shù)。目前，阿秒光脈沖在匯聚態(tài)物質(zhì)方面主要是研究表面電子瞬態(tài)結(jié)構(gòu)。2007年，克勞茨研究組用阿秒光脈沖對(duì)固體表面電子進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)覺局域4f態(tài)和非局域?qū)щ娮影l(fā)射存在100as的時(shí)間差。據(jù)悉，阿秒光脈沖結(jié)合瞬態(tài)吸收譜技術(shù)早已從較早的原子分子體系拓展到了匯聚態(tài)體系的研究，結(jié)合阿秒光脈沖的超快時(shí)間區(qū)分和超寬的波譜范圍，有可能為匯聚態(tài)物質(zhì)這些復(fù)雜體系的電子動(dòng)力學(xué)研究發(fā)展新的技術(shù)手段，開拓新的方向。阿秒光脈沖的高能X射線與匯聚態(tài)物質(zhì)中緊密禁錮的電子互相作用還可以偵測(cè)特定原子中電子的空間位置以及頓時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這為研究具有物理元素特異性材料中電子的快速過程提供另類方式。這些能力對(duì)于像昨天使用的手機(jī)和計(jì)算機(jī)的下一代邏輯和儲(chǔ)存芯片這樣的發(fā)展來說是十分寶貴的。
阿秒光脈沖應(yīng)用從匯聚態(tài)還可以延展到有機(jī)分子和生物分子等愈加復(fù)雜的體系。在生命科學(xué)領(lǐng)域，因?yàn)榘⒚牍饷}沖的高能量光子早已可以達(dá)到一個(gè)能量范圍在280eV到530eV間的波譜區(qū)域，即所謂的“水窗”，在此區(qū)域的光子不能被水吸收，而且還能被構(gòu)成生物分子的碳原子、氮原子等原子強(qiáng)烈吸收，因而，阿秒光脈沖可用于對(duì)活體生物樣本進(jìn)行X射線顯微，偵測(cè)生命科學(xué)中的量子過程，為復(fù)雜的生物分子的建模、理解和控制奠定基礎(chǔ)。諸如，用阿秒光脈沖對(duì)活細(xì)胞中生物分子的電子和原子制做慢動(dòng)作視頻，觀測(cè)光電轉(zhuǎn)換過程中亞原子尺度的電子動(dòng)力學(xué)過程，剖析內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn)行光合作用效率能達(dá)到40%以上的緣由，從而改進(jìn)光電轉(zhuǎn)換材料的性能，讓光電轉(zhuǎn)換效率在10%徘徊的太陽能電板板才能更高效的借助太陽能，為實(shí)現(xiàn)紅色環(huán)保的月球貢獻(xiàn)力量。
其實(shí)，因?yàn)榫哂袠O短的時(shí)間區(qū)分，以及可以覆蓋包括水窗在內(nèi)的重要波譜區(qū)段，阿秒光脈沖早已成為研究亞原子尺度的數(shù)學(xué)規(guī)律最有力的工具，但是在控制物理合成、從亞原子尺度研究生命現(xiàn)象等方面有著重要的應(yīng)用前景。