解读|将人类带进阿秒时代!2023年物理学诺奖得主升级世界最快相机

来源:火狐直播app下载安装    发布时间:2024-03-02 10:10:23

  原标题:解读|将人类带进阿秒时代!2023年物理学诺奖得主升级世界最快相机

  瑞典隆德大学教授安妮·勒惠利尔(Anne L’Huillier)是第5位被授予诺贝尔物理学奖的女性。视频截图:隆德大学Nina Ransmyr

  蜂鸟每秒钟可以拍打翅膀80次。人眼无法看清,但高速相机可以将其动作定格成一帧帧清晰的画面。

  24年前,1999年诺贝尔化学奖被授予使用当时世界上最快的“相机”的美国加州理工学院教授艾哈迈德·H·祖瓦伊勒(Ahmed H. Zewail)。他用飞秒激光看到反应过程中化学分子的过渡态。

  而今,世界最快“相机”再次升级,速度加快千倍,从飞秒跨越到阿秒,“看到”分子中电子的运动,并斩获2023年诺贝尔物理学奖。

  阿秒光脉冲(简称“阿秒脉冲”)是一束极短促的闪光,提供了一开一关极快的相机“快门”,能够“拍摄”到狂飙中的电子。

  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。图:Johan Jarnestad

  10月3日下午,中国科学院物理研究所副研究员、博士生导师方少波告诉澎湃科技,逐渐增强阿秒脉冲,现在还存在技术难度。目前43阿秒脉冲的世界纪录保持者、来自德国的托马斯·高尼茨(Thomas Gaumnitz)在攻读博士学位期间,因为忙于搭建阿秒脉冲光源,始终没发表论文,直到博士后阶段才发表了第一篇研究论文。

  上海理工大学光电信息与计算机工程学院教授、博士生导师刘一向澎湃科技表示,2023年三位诺贝尔物理学奖获得者中,他最熟悉的是安妮·勒惠利尔(Anne L’Huillier)。从2014年开始,双方就空气激光等相关课题展开合作,先后在安妮实验室做过4次合作实验。

  刘一介绍,安妮出生在法国巴黎,在法国攻读了博士学位。她温和、内敛,言辞不多,但非常有智慧。她对葡萄酒很有研究,能够分辨不同葡萄酒的年份。

  刘一表示,脉冲更短,能量更高,重复频率更高,这是阿秒脉冲领域内人们正在努力的三个维度。除了在泵浦激光、产生介质等方面做改进外,他表示,普通实验室用的聚焦透镜是1米或2米长的,但在欧盟一些实验室用的聚焦透镜长达50米,就为了产生更强的阿秒脉冲。

  “更准确地说,是最短的,目前最短的光脉冲。”刘一告诉澎湃科技,用最短的光脉冲可以探索电子世界。但还有比阿秒更短的时间单位——仄秒(10^−21秒)、幺秒(10^−24秒)等, “人类对自然的探索无止境” 。

  如果简单地把电子看作是原子核周围的“超级跑车”或者子弹,那么阿秒脉冲如同开关很快的相机快门,可以将电子“拍摄”下来。

  刘一表示,“好比子弹飞过去了,如果你相机的快门不够快的话,你拍到的是一条线、一个影子,而非清晰的子弹。而阿秒脉冲提供了一个很快的‘快门’,曝光时间尺度很短。”

  方少波告诉澎湃科技,曝光时间之所以要短,是为了在快门一开一关之间,被拍摄对象几乎相当于是静止的,或者它移动的距离足够短,否则很难定格清晰的瞬间。

  北京时间3日17时50分许,瑞典皇家科学院宣布,将2023年诺贝尔物理学奖授予发明了这种极短闪光技术的三名科学家——美国俄亥俄州立大学名誉教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、德国马克斯·普朗克量子光学研究所教授费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)和瑞典隆德大学教授安妮·勒惠利尔(Anne L’Huillier),以表彰他们在“产生阿秒光脉冲以研究物质中电子动力学的实验方法”方面所做出的贡献。

  阿秒是光脉冲的脉冲宽度。刘一解释说,“脉冲宽度的概念没那么抽象。比如说激光笔。我们手指头一按打开激光笔,再一放关掉激光笔,就产生了一个激光脉冲。脉冲宽度是脉冲持续的时间。假如有人能够在1阿秒内一按一放激光笔,而且激光笔也有足够快地响应的话,那么也可以产生阿秒脉冲。可是,没人能按得这么快,激光笔也没那么快响应。。”

  1阿秒等于千分之一飞秒,相当于10⁻¹⁸秒。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。一束光从房间里一堵墙照射到另一堵墙,需要100亿阿秒的时间。

  飞秒激光作为驱动光,通过高次谐波过程产生极紫外或更短波长的阿秒相干辐射。图:Johan Jarnestad

  中国科学院物理研究所研究员魏志义等人2021年发表在中文学术期刊《物理》上的一篇论文表示,超快激光于20世纪80年代进入了飞秒激光时代。强场超快激光脉冲的一个重要用途是作为驱动光,通过高次谐波过程产生极紫外或更短波长的阿秒相干辐射。以气体高次谐波为例,当惰性气体与强场激光相互作用时,每个激光周期伴随产生两个阿秒脉冲。气体高次谐波的三步模型认为,激光场将首先使气体原子发生隧穿电离,释放出的光电子在电场的作用下运动,加速后的光电子最终与母体离子复合,使原子回到初始的量子态,多余的能量则以高能光子的形式释放,即高次谐波。

  “如果认为它是世界上最快的东西,那用什么方法证明它是最快的?”方少波问。

  他表示,除非有一个更快的“快门”,能定量地测出来阿秒脉冲的“快门”究竟有多快。

  方少波介绍,1987年,安妮就做了高次谐波的实验,奠定了阿秒脉冲的基础。但高次谐波当时只能带来阿秒脉冲串。

  “你可以把阿秒脉冲串简单想象成一串子弹,每个子弹都有自己的颜色,红橙黄绿蓝靛紫。但人们需要的可能只是一颗极紫外的子弹。”方少波表示,精准测量想用的是“一发子弹”——孤立阿秒脉冲,而非一串。这相当于要在一连串机关枪射出的子弹里面挑出来一个,难度很大。皮埃尔·阿戈斯蒂尼和费伦茨·克劳斯都在2001年时分别发表了重要论文,完成了阿秒脉冲的产生和测量,“而且用的是不同的测量技术。此后,大家有了共识,人类的光学技术进入到阿秒时代”。

  方少波表示,阿秒脉冲此前不是热门领域。首先,当时高次谐波的产生效率非常低,很多人甚至认为这是个笨方法,觉得浪费了大量的能量才得到了那么一点点光脉冲,是“大力出奇迹”而已,因此不被很多人看好;第二个原因是高次谐波的产生需要用到一个短脉冲的飞秒激光器。在那个年代,这样的激光器不是很多实验室都有。目前产生孤立阿秒脉冲的技术已相对成熟了。但还有一个问题没有克服:怎么样提高它的光强度或产生效率?

  诺贝尔奖官网介绍称,1987年,安妮发现,当她通过惰性气体传输红外激光时,会产生许多不同的光的“泛音”。每个“泛音”都是一个光波。它们是由激光与气体中的原子相互作用引起的。电子获得额外的能量,然后以光的形式发射出来。安妮继续探索这一现象,为后续的突破奠定了基础。

  1994年,阿戈斯蒂尼及其合作者研究了双色光子场中的频率调制原理。这一原理后来发展成为RABBIT(通过双光子跃迁干涉重建阿秒跳动)的计量技术。该技术通过将XUV(极紫外)脉冲和来自驱动激光器的光聚焦到稀有气体靶上,并分析从靶上产生的光电子,从而测量一连串阿秒脉冲的持续时间。

  2001年,皮埃尔·阿戈斯蒂尼成功产生并研究了一系列连续的光脉冲,其中每个脉冲仅持续250阿秒。与此同时,费伦茨·克劳斯正在进行另一种类型的实验,该实验可以分离出持续650阿秒的单个光脉冲。

  两束激光被用于产生阿秒脉冲和观测实验。图:Johan Jarnestad

  阿秒脉冲技术使得我们对以前无法追踪的快速过程,比如电子移动,或者能量的快速转移的研究成为可能。这为研究原子、分子和凝聚态物质中的电子动力学打开了一扇窗。

  诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森 (Eva Olsson) 称,“我们现在能打开电子世界的大门了。阿秒物理学使我们有机会了解电子控制的机制,下一步将是利用它们。”

  方少波介绍,三位获奖者最年轻的费伦茨·克劳斯,在做了阿秒脉冲的基础研究之后,把重心放到了血液检测上。他希望把对阿秒脉冲的计量方法拓展到血液检测中,希望带来一种超高灵敏度的检测技术。他做过一个实验:把一杯糖水的浓度不断稀释,稀释到现有所有商用检验测试手段都检测不出浓度后,再把它稀释1000倍,然后用费伦茨·克劳斯的方法还能检测出其含糖量。

  2023年诺贝尔物理学奖获得者、德国马克斯·普朗克量子光学研究所教授费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)。

  诺贝尔奖官网介绍称,费伦茨·克劳斯研究组已经迈出了生物应用的第一步。通过将宽带光学、超快激光源和精确的飞秒-阿秒场解析技术相结合,克劳斯研究组开发出了光电场分子指纹技术,可以检测生物流体分子成分的变化。这有望成为一种新的体外诊断分析技术,用于检测血液样本中痕量的疾病特征分子。它的最大优点是可以同时监测许多分子,而且辐射是非电离的,因此不会对人体造成伤害。

  方少波表示,通俗地解释这种检测的原理,它其实就是对整个光场进行精确地扫描或检测,对相关光子的相位进行确认。“每个分子对它都有不同的振动频率”,如同分子指纹,所以这种办法能够在血液中检测非常多种类的分子。

  有评论称,如果这种分子检测新方法获得成功应用,克劳斯甚至有可能获得第二个诺奖。

  方少波表示,目前,阿秒脉冲技术还需要更加多学科的扩展和应用。我国在阿秒科学领域也有布局,从国家层面到中国科学院层面,都给予了关注和支持。中国科学院在青年团队计划中专对于原子尺度阿秒超快动力学以及阿秒科学与技术等研究项目给予了稳定支持。

  据中国科学院物理研究所微信公众号消息,2013年,中国科学院物理研究所魏志义课题组实现了160阿秒孤立阿秒脉冲测量实验结果,这是我国在阿秒科学领域的重大突破。随后,华中科技大学、国防科技大学和中国科学院西安光学精密机械研究所的研究团队也先后实现了阿秒脉冲的产生和测量。

  2023年诺贝尔物理学奖获得者:美国俄亥俄州立大学名誉教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini,左)、德国马克斯·普朗克量子光学研究所教授费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz,中)和瑞典隆德大学教授安妮·勒惠利尔(Anne L’Huillier,右)。

  (本文来自澎湃新闻,更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)返回搜狐,查看更加多