日本皇家科大學決定將2023年諾貝爾化學學獎授予、和AnneL’，“表彰她們為研究物質中的電子動力學而形成阿秒光脈沖的實驗技巧”。
2023年諾貝爾化學學獎的三位得主被嘉獎是由于她們的實驗為人類提供了探求原子和分子內部電子世界的新工具。，和AnneL’創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電子快速的運動和能量變化過程。
人類感知快速運動的物體時，每剎那間的感知就會流動向下剎那間，如同播放影片時快速放映的圖片被我們看作連續運動的風波一樣。若想要探究真正瞬時發生的風波，我們須要特殊的技術。在電子的世界里，變化發生在一個阿秒——10^（-18）秒——的時間內。阿秒有多短？一阿秒之于1秒，相當于1秒之于宇宙的歲數。
這種得獎者的實驗能形成十分短暫的光脈沖，可以阿秒為單位進行檢測，因而能提供原子和分子內部過程的圖象。1987年，AnneL’發現，當她將紅外激光穿過一種惰性二氧化碳時，會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目循環的光波。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，以光的方式發射下來。AnneL’一直在探求這一現象，為隨即的突破奠定了基礎。
2001年，成功地制出并研究了一系列持續時間僅為250阿秒的連續光脈沖。與此同時，正在進行另一種類型的實驗，使其才能分隔持續時間為650阿秒的單個光脈沖。
這種諾貝爾獎得主的貢獻使我們能對之前未能跟蹤的極快速過程進行研究。
“通往電子世界的房門現今對我們敞開了。阿秒化學學為我們提供了理解與電子有關的機制的機會。下一步將是借助它們?！敝Z貝爾化學學獎委員會主席Eva表示。
這項研究在許多不同領域都有潛在的應用。比如，在電子學中，了解和控制電子在材料中的行為十分重要。而在醫學確診中，阿秒脈沖也可以用于辨識不同的分子。
中科院化學所研究員曹則賢對《返樸》表示，光是我們同遠方的聯系，也是我們深入微觀世界的惟一工具。光與電子是微觀化學，非常是量子熱學的主題。知名的1927年第五次索爾維大會的主題就是光子與電子。阿秒光脈沖的實現是光學和光學技術的進步，也賦于我們以研究更短時段內、更小尺度上的數學量現象非常是與電子有關的現象的可能。2023年度諾貝爾化學獎嘉獎三位得獎人在“intoinoflight”的方面的成就,具體地說是用超快波譜研究電子的運動,實至名歸。
，1968年獲得日本艾克斯-馬賽學院博士學位。歷任韓國科羅拉多州立學院院長。
，1962年生于法國莫爾。1991年從法國維也納科技學院獲得博士學位。英國馬克斯·普朗克量子光學研究所主任，法蘭克福路德維希-馬克西米利安學院院長。
AnneL’，1958年生于美國米蘭。1986年從倫敦皮埃爾和瑪麗·居里學院獲得博士學位。歷任美國崇信學院院長。
下文是一篇科普舊文，供你們一并參考。
撰文|周勝鵬劉愛華（四川學院原子與分子化學研究所）
在以化石能源為動力的現代交通工具出現曾經，馬作為最快的交通工具早已為人類服務了幾千年。千百年來，無數人好奇馬在奔跑過程中，是四腳騰空，還是一直有一蹄著地。在拍照技術出現后，人們就開始考慮用拍照技術來解決這一問題。在攝影技術中，一個“快門”時間內可以爆光并記錄一個動作，動作發生時間越短，須要記錄它的“快門”就相應地要求越短，否則圖象都會出現虛影。但初期的拍照技術爆光時間長，成像速率慢。直至1878年，改進了快門的拍照機得以應用，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刻，它的四蹄是全部離地的。為此，提升拍照機的快門速率(時間辨別能力)，可以讓我們對事物的認識提升到一個更高水平。
圖1邁布里奇1878年拍攝賽馬奔跑時的相片
現在，人類的偵測器早已飛出了太陽系，而天文學家們的觀測范圍更是達到了數百億光年?？臻g的距離，可以通過光的傳播進行檢測，空間的幀率則弄成了在時間上要求更高的幀率(更快的快門)。對于時間的幀率，人們經常會用到以下幾個關于時間的單位：納秒(1ps=10^（-12）s)，皮秒(1fs=10^（-15）s)和阿秒(1as=10^（-18）s)。
為了理解和體會這幾個單位的時間寬度，我們看一下光在相應時間單位內可以傳播多長距離：一秒內光傳播30萬千米，可以環繞月球約7.5次，在1ps時間內，只能傳播30cm的距離；在1fs時間內，則只能傳播0.3μm，這個距離甚至不到一根毛發絲的百分之一；而在1as時間內，光只能傳播0.3nm，也就是3個緊緊排在一起氫原子的寬度(或則說，1as的時間還不夠光繞氫原子的“赤道”跑一圈)。
當人們對世界觀察的時間尺度達到了阿秒量級，人們可觀察的空間區分也才能達到原子尺度(0.1nm)和亞原子的尺度了。在這樣的時間和空間尺度范圍，人們對生物、化學和化學的研究邊界也顯得不斷模糊，由于這種微觀現象的癥結在于電子的運動。這種微觀過程中電子運動的時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間為152as。阿秒光脈沖的出現使人們還能結合阿秒量級的超高時間幀率和原子尺度的超高空間幀率，實現對原子-亞原子微觀世界中的極端超快過程的控制和了解的夢想。
哪些是阿秒光脈沖
阿秒光脈沖是一種發光持續時間極短的光脈沖，其脈沖長度大于1fs。為了更好地認識阿秒光脈沖，我們須要了解激光的形成和發展過程。
激光是一種具有發射方向單一、強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光進行放大。中國化學學家錢學森取其意將其命名為“激光”。20世紀60年代，韓國加洲休斯實驗室的梅曼研制出了世界上的第一束激光。
按照發光持續時間的長短，激光通常被分類為連續激光和脈沖激光。連續激光才能在長時間內形成激光但輸出的功率較低。脈沖激光工作方法是在一個個間隔的小時間段內發射光脈沖，其峰值功率很高。從20世紀激光誕生開始到其后的80年代，脈沖激光的單個脈沖時間可以達到飛秒量級。隨著激光技術的不斷發展，激光的脈沖長度也在不斷縮小。1981年，貝爾實驗室的?？说热瞬捎面i模技術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學院的克勞茨研究組在實驗上成功地借助二氧化碳高次紋波形成了占空比為650as的單個光脈沖，使光脈沖長度達到阿秒量級。
超短的光脈沖有助于提升人們觀察微觀粒子高速運動的時間碼率，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波一樣。皮秒激光的出現使人類第一次在原子和分子層面上觀察到超快運動過程。我們這個世界的物質大都是由分子和原子組成，它們都在不停地急速運動著，這是微觀物質的一個特別重要的基本屬性。皮秒激光可以讓人們把物理反應過程拍成“電影”并對整個過程進行研究。而物理反應的本質是原子與分子中電子的運動。為了愈發深入地觀察電子的運動以及對其進行控制，皮秒激光所才能達到的時間區分尺度以及對應的空間區分尺度(100nm)似乎是不能滿足條件的。而現今實驗上所能獲得的阿秒光脈沖的脈沖長度早已才能達到甚至短于電子在原子中的運動周期。阿秒光脈沖這些超短的時間區分能力早已為基于研究電子運動的阿秒科學打開了房門。
阿秒光脈沖出現之前
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間過程中對相關技術進行了不斷改進。其中，激光鎖模技術的發明推動了皮秒激光的誕生，啁啾脈沖放大技術（CPA）以及腔外脈沖壓縮技術等的出現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鋪平了公路。
激光鎖模技術才能讓大量高度相干、位相鎖定的激光縱模同時振蕩，合成一個時間長度極短的高功率脈沖。
初期的鎖模激光技術是在固體激光增益介質中實現，形成的激光脈沖長度大于100ps。后來，在日本化學學家豪斯被動鎖模理論的指導下，碰撞脈沖鎖模形式(CMP)才能讓激光脈沖長度達到100fs。20世紀80年代，人們對固體激光介質展開了一系列的研究工作，在運用鈦藍寶石(Ti：)激光系統時發覺的自鎖?，F象為超短激光的發展帶來了技術革命。
自鎖模現象是因為非線性介質中的克爾效應所導致，所以也被稱為克爾透鏡鎖模。1999年，俄羅斯麻省理工大學的莫格納等人借助克爾透鏡鎖模技術除了讓激光脈沖長度達到了5.4fs，還致使脈沖長度短于兩個光學周期。借助皮秒激光的泵浦——探測技術，人們前所未有地觀察到了物理反應的中間過程，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。
通過鎖模技術獲得脈沖長度達到幾個皮秒的超短脈沖激光的同時，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，激光增益介質會由于自聚焦等非線性光學效應而發生損傷，因而脈沖激光的峰值功率遭到激光介質破壞閥值的限制。這一限制在歷時六年的時間內沒有獲得大突破，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，加拿大考文垂學院的穆魯和斯特里克蘭三人首先提出了激光CPA技術，它能極大減少高功率激光放大過程中非線性效應對激光介質的破壞。CPA技術的基本原理是通過色散技術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逆向將激光脈沖的時間長度壓縮到原先的狀態，最終超短脈沖激光的硬度得到極大提高。隨著CPA技術廣泛應用，大型化的皮秒100TW(1TW=10^12W)級和1PW(1PW=10^15W)級的強悍超短激光系統早已屢見不鮮。CPA技術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年的諾貝爾化學學獎。
阿秒光脈沖的形成
人們仍然在為形成更短的光脈沖努力著，從100ps到100fs，再到幾個皮秒，直至少周期的皮秒激光出現，短脈沖技術停下了步伐。此時，人們很難讓脈沖的包絡短于一個光學周期。以800nm波長的激光為例，一個光周期的寬度為2.66fs，激光的脈沖長度就很難再短于這個時間了。雖然2013年有一個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光學脈沖壓縮方式很難將激光脈沖的時間長度進一步減短。其實，為了獲得更短的阿秒光脈沖，人們必須使用更短的擴頻波長來支持更短的脈沖長度。
為了形成更短的擴頻波長，人們須要從光形成的基礎理論上得到突破。在阿秒光脈沖出現之前，形成超短脈沖激光的理論基礎仍然是愛因斯坦的基態躍遷受激幅射。依據受激幅射理論，處于禁錮基態上的電子只能在原子核附近運動，所存儲的能量有限。通常上下兩基態躍遷所發射光子對應的波長都處在可見光附近，可見光一個光學周期通常都在1fs以上，畢竟無法拿來進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，美國化學學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(見圖2)。精典三步模型將在強激光作用下原子中的電子運動分為三個過程：隧穿電離、激光加速和回核(見圖3)。（1）隧穿電離：原子內部庫侖力的硬度接近于一個原子單位(3.55×10^16W/cm^2)，人們通過CPA獲得的激光硬度已達到了10^14到10^15W/cm^2，這一硬度早已才能與原子內部的庫侖力相比擬了。此時，電子就能否以隧穿電離的方式甩掉庫侖禁錮。從量子熱學的角度來講，這一個微觀風波的發生機率與弱激光作用于原子的多光子電離機率相比得到了極大提升。（2）激光加速：當電子甩掉原子核的庫侖力物理切割，其運動幾乎完全由激光電場控制，但是電子的運動軌跡可以很便捷的采用精典牛頓熱學進行描述。（3）回核：因為激光電場是往復振蕩，電子在激光電場的作用下最后會回到原子核附近。在回到原子核的過程中，電子被激光電場加速獲得很高的能量。當電子回到原子核，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能和電子電離能的總和。為此，電子在激光中加速獲得的動能越多，光子的能量就越高。
圖3精典三步模型示意圖
1993年，諾貝爾化學學獎獲得者亨施提出對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。而想獲得阿秒時間尺度的超快時間區分，必需要從阿秒光脈沖串中選出一個孤立的阿秒光脈沖，即單阿秒光脈沖。形成單阿秒光脈沖的基本辦法是在驅動激中信部份周期里抑制高次紋波發射，只在半個光學周期的時間窗口里容許高次紋波發射，這個時間窗口被稱為時間門。依據該單阿秒光脈沖形成的規律，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場近似模型(SFA)。在這個理論中，她們假定(i)不考慮迸發態的貢獻；(ii)忽視能級的衰減；(iii)連續態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，高性能計算機技術的快速發展促使數值求解單原子模型的含時薛定諤多項式(TDSE)成為一種重要的研究方式。德克薩斯州立學院的林昆山研究小組發展了QRS()理論。該理論基于量子散射理論的強場互相作用理論，把在激光電場作用下的返回電子與原子核的互相作用作為一個散射過程，從最終的高次紋波或則光電子剖析得到互相作用的信息。此模型的估算結果與TDSE模擬的結果十分相仿，估算量卻遠遠大于求解TDSE。
因為單阿秒光脈沖的形成須要有效控制高次紋波的發射時間，而這個發射時間與電子的運動軌跡密切相關，因而，人們通常通過調制激光電場控制電子的運動從而形成單阿秒光脈沖。一般，人們采用多色聯合激光電場來控制電子的運動，這樣才能有效控制高次紋波的發射時間。理論研究表明，通過調節振幅比、偏振、波長比、相對延后、相位等參數優化的多色整形脈沖激光，可以有效控制電子的運動軌跡物理切割，從而提升高次紋波豐度和減短阿秒光脈沖的時間間距。
在實驗上，人們按照高次紋波形成對驅動激光各類特點的依賴關系設計了好多技術方案，而且所采用的驅動脈沖激光均為少周期的強皮秒脈沖激光。2008年，古爾利馬基斯等人借助了高次紋波形成過程對激光硬度高度非線性依賴的特點，采用擴頻包絡相位穩定的3.3fs超短激光脈沖，檢測獲得80as的單阿秒光脈沖。這一技術方案被稱為少周期激光脈沖泵浦激光方案，并且其在實現過程中對技術要求較高。采用偏振光時間門技術可以以相對較低的技術要求實現單阿秒光脈沖形成，目前這一技術早已十分成熟。
偏振光時間門是借助高次紋波形成效率對泵浦脈沖激光的偏振光性質十分敏感這一特點設計。2006年，桑索內等借助偏振光時間門技術使用5fs的激光脈沖形成130as的單阿秒光脈沖。同樣基于偏振光時間門技術的原理，法國密西西比州立學院常增虎院士等提出了雙光學時間門和廣義雙光學時間門方案，她們可以讓形成單阿秒光脈沖的驅動激光脈沖長度歷時28fs。雙色場時間門方案則是借助高次紋波形成對激光電場硬度的敏感特點，采用頻域激光疊加一個外頻激光電場合成驅動激光電場。中國科大學重慶光學精密機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。
據悉其他的技術方案也能有效的形成單阿秒光脈沖，如被稱為電離時間門的技術方案，這一方案是通過在極短時間內將原子的能級電子電離空，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時間門方案，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大會上，常增虎院士研究小組和英國的沃納研究小組同時宣布了借助中紅外激光采用偏振光門技術形成了53as的單阿秒光脈沖。一個多月后，沃納研究小組經過優化，突破了50as大關，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上也取得了挺好的進展，中國科大學化學研究所魏志義研究小組采用振幅時間門獲得了160as的阿秒光脈沖。進一步減短阿秒光脈沖的時間長度，以及降低阿秒光脈沖的輸出能量是科學家們的一個常年追求的目標。
隨著激光技術的不斷發展，人們早已可以形成幾個甚至幾十個毫焦耳的3~5μm的中紅外驅動光源用于形成阿秒光脈沖。按照高次紋波形成理論，單個光子的最大能量反比于激光光強和激光波長的平方，因而在未來采用更強且波長更長的紅外驅動激光更適宜形成更短的阿秒光脈沖來刷新紀錄。
阿秒光脈沖的應用
阿秒光脈沖具有極端超快的特點，這是一件十分酷的事情，人們采用阿秒光脈沖結合泵浦——探測技術早已可以偵測數十阿秒的超快電子動力學過程，而且還能在原子尺度內實時控制電子的運動。阿秒光脈沖的應用是人類正在開拓的一個全新科學領域，它除了能幫助科研人員剖析原子和分子內電子的運動過程、原子核結構等基礎數學學問題，也在為材料科學和生命科學等提供全新的研究手段。
目前，人們應用阿秒光脈沖研究原子和分子中的超快電子動力學，關于原子的化學現象主要是原子內電子電離、多電子俄歇衰變、電子迸發弛豫和成像等，而關于分子的研究主要是分子的解離過程和控制、分子的震動和轉動與超快電子運動的耦合等。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和隧穿電離，觀察到了氖的二價正離子的豐度上升時間為400as。2017年，新加坡的維倫紐夫研究組采用阿秒脈沖串聯合紅外激光電場實現了對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合紅外激光對阿秒電子波包成像的實驗結果(上)和理論結果(下)
人們對匯聚態化學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、熱電子、電子空穴動力學等。采用阿秒光脈沖實時監測和控制那些匯聚態中的超快電子過程將有助于改進基于電子的信息技術。目前，阿秒光脈沖在匯聚態物質方面主要是研究表面電子瞬態結構。2007年，克勞茨研究組用阿秒光脈沖對固體表面電子進行檢查時發覺局域4f態和非局域導帶電子發射存在100as的時間差。據悉，阿秒光脈沖結合瞬態吸收譜技術早已從較早的原子分子體系拓展到了匯聚態體系的研究，結合阿秒光脈沖的超快時間區分和超寬的波譜范圍，有可能為匯聚態物質這些復雜體系的電子動力學研究發展新的技術手段，開拓新的方向。阿秒光脈沖的高能X射線與匯聚態物質中緊密禁錮的電子互相作用還可以偵測特定原子中電子的空間位置以及頓時的運動狀態，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。這些能力對于像昨天使用的手機和計算機的下一代邏輯和儲存芯片這樣的發展來說是十分寶貴的。
阿秒光脈沖應用從匯聚態還可以延展到有機分子和生物分子等愈加復雜的體系。在生命科學領域，因為阿秒光脈沖的高能量光子早已可以達到一個能量范圍在280eV到530eV間的波譜區域，即所謂的“水窗”，在此區域的光子不能被水吸收，而且還能被構成生物分子的碳原子、氮原子等原子強烈吸收，因而，阿秒光脈沖可用于對活體生物樣本進行X射線顯微，偵測生命科學中的量子過程，為復雜的生物分子的建模、理解和控制奠定基礎。諸如，用阿秒光脈沖對活細胞中生物分子的電子和原子制做慢動作視頻，觀測光電轉換過程中亞原子尺度的電子動力學過程，剖析內質網進行光合作用效率能達到40%以上的緣由，從而改進光電轉換材料的性能，讓光電轉換效率在10%徘徊的太陽能電板板才能更高效的借助太陽能，為實現紅色環保的月球貢獻力量。
其實，因為具有極短的時間區分，以及可以覆蓋包括水窗在內的重要波譜區段，阿秒光脈沖早已成為研究亞原子尺度的數學規律最有力的工具，但是在控制物理合成、從亞原子尺度研究生命現象等方面有著重要的應用前景。