“阿秒激光”为何能获诺奖垂青？｜解读2023年诺贝尔物理学奖

本文引自文汇报新闻

2023年诺贝尔物理学奖由三位科学家分享。瑞典皇家科学院3日宣布，将今年的诺贝尔物理学奖授予美国俄亥俄州立大学教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、德国慕尼黑大学物理学教授费伦茨·克劳斯 (Ferenc Krausz) 和瑞典隆德大学原子物理教授安妮·卢利尔 (Anne L'Huillier)，以表彰他们“为研究物质中的电子动力学而创造了阿秒激光脉冲的实验方法”。

 

“可以形象地认为，这三位科学家联合‘发明’了一个‘照相机’，用来帮助人们观测微观世界中粒子的超快运动。”上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室教授何峰在接受本报记者采访、解读今年的诺贝尔物理学奖时介绍，此次获奖的三位科学家都是实验物理学家，基于他们对超快激光科学和阿秒物理的开拓性贡献，人们得以对微观世界的原子、分子和固体中的电子运动开展观测并成像。

 

值得一提的是，卢利尔也成为了第五位女性诺贝尔物理学奖得主。

 

又一座里程碑！脉冲激光从皮秒提升到了阿秒量级

 

自然界里的各种物理过程，其运动的时间尺度是不同的。比如，运动员划水一般是每秒一次，用肉眼就可以清晰分辨划水过程；子弹击穿苹果的过程用肉眼无法捕捉，但可借助高速摄像机拍摄后、以慢动作呈现。相比之下，自然界微观世界的粒子运动更快，甚至无法用高速摄像机捕捉。以氢原子为例，电子绕原子核运动一周的时间就是150乘以10的负18次方秒，要能看清原子内电子的运动，需要曝光时间短至阿秒量级的超快照相机。而阿秒激光脉冲，就是这样的照相机。

 

1阿秒为10的负18次方秒。那么，阿秒到底有多短？上海理工大学太赫兹技术创新研究院朱亦鸣教授打了一个比方：目前可以观测到的最长时间尺度是宇宙的年龄，大约为140亿年。1阿秒比1秒，就相当于1秒比整个宇宙年龄的长短。

 

他继续解释道，根据发光持续时间的长短，激光一般被分类为连续激光和脉冲激光。连续激光能够在长时间内产生激光但输出的功率较低。而脉冲激光的工作方式，则是在一个个间隔的小时间段内发射光脉冲，其峰值功率很高。从1960年激光诞生到其后的80年代，脉冲激光的单个脉冲时间可以达到皮秒量级。

 

而本次获得诺奖的三位科学家，则是将脉冲激光从皮秒提升到了阿秒量级。

 

其中，卢利尔从事原子和短强激光脉冲的相互作用，从上世纪80年代初至今她一直在研究高次谐波——这是产生阿秒激光脉冲的必需物理过程。1987年，她参与了第一个产生高次谐波的实验。

 

阿戈斯蒂尼在1979年第一次发现了激光与原子作用时的多光子电离效应，这与高次谐波的产生，是强激光与原子相互作用的两种典型过程。此外，阿戈斯蒂尼还发明了测量阿秒脉冲链（由多个阿秒脉冲组成）的宽度的方法。

 

克劳斯上世纪90年代在维也纳技术大学时，就对用激光产生超短光脉冲感兴趣。克劳斯第一次在实验中产生了孤立阿秒激光脉冲，这比产生阿秒脉冲链更难。并且，他利用孤立阿秒激光脉冲对原子尺度上的电子运动做了实时观测。谈到这一点时，何峰举例道，“如果孤立阿秒脉冲是人类观察微观世界的‘眼镜’的话，那么克劳斯是第一个让这个‘眼镜’诞生的人”。

 

阿秒级装置日益普及，为改变物质世界带来更多可能

 

可以说，今年被诺贝尔物理学奖垂青的阿秒激光脉冲技术，打开了一扇通往研究电子极端超快运动过程的大门。

 

“这一技术不仅对物理学的发展有着重要意义，对于我们认识乃至改变物质世界，包括对推动化学、医学、生物学等领域的发展，都有不可忽视的重要意义。”中国科学院物理研究所研究员魏志义长期从事超强激光和阿秒激光脉冲研究。“众所周知，上世纪，物理学的一个重大突破就是建立了原子核模型，而电子在其中起到很大的作用，正是阿秒激光脉冲使得我们可以观测电子的运动。不仅如此，它也会让我们对包括高温超导等在内的作用机理带来全新的认知。从应用层面看，它也将给信息、光伏产业、医学成像、药物合成等领域带来很大改变。”魏志义说。

 

何峰举了个例子，就以1991年获得诺贝尔化学奖的飞秒化学为例，当时就是科学家观察到在合成过程中，化学键是如何断开的，这是飞秒级别的。而原子内电子运动的时间是阿秒级别的，尺度更小。但是通过激光脉冲观察微观的电子运动，可以帮助我们更好理解这个世界，未来人类也许可以控制化学、物理的变化。比如，化学制药就可以按照人为地设定化学变化的方向来进行。

 

“这就好比，通过这个神奇的‘眼睛’，我们首先看到并认识微观世界，然后理解世界，最终改变世界。”不过，何峰也坦言，从观察到微观世界的粒子运动，到理解这些粒子运动的规律，再到利用这些规律来改变微观世界或者使得微观世界能够按照我们的想法运动，这还是一个漫长的过程，“但是不论怎么样，至少现在已经迈出了重要一步”。

 

复旦大学物理系研究员陶镇生教授也介绍，当前，在全世界的实验室里，阿秒级设备和装置越来越普及，正被科学家们作为一种全新的测量工具来观察和理解电子、原子和分子的运动过程。

 

诺奖物理学奖迎来第五位女性得主

 

今年摘获诺贝尔物理学奖的三位科学家，都与魏志义所在的中国科学院物理研究所有着长期联系。尤其是克劳斯，他曾担任该所荣誉教授，和魏志义团队有着非常密切的合作。

 

在魏志义的心目中，克劳斯是一位精力非常充沛且充满创新精神的科学家。他不仅在基础研究及激光前沿技术领域取得了重要成就，且十分注重将研究成果投入应用、造福人类。正是他的创新实验方案才使得人类第一次得到了阿秒激光脉冲。

 

魏志义还表示，克劳斯近年在中红外飞秒激光器的研究上也有新的突破，并且通过与医疗领域的合作，希望能对癌症进行早期诊断，“他在这个领域做了很多有价值的工作。”

 

现年64岁的卢利尔，成为第五位获得诺贝尔物理学奖的女性。何峰告诉记者，卢利尔的研究非常扎实，她在高次谐波领域的研究已持续了几十年，可以说是几十年如一日，直至今天仍然在这一领域持续深耕，“这也是她在这一领域不断有新的成果出现的重要原因之一”。

 

卢利尔出生于巴黎。她曾在接受采访时谈到，阿波罗11号1969年首次载人登月任务时，极大地激发了她对科学的兴趣。而她的祖父是从事无线电通信的电气工程教授，令她对科学技术产生了极大热情，后来成为实验阿秒物理学的领导者。