剛剛，瑞典皇家科學院決定將2023年諾貝爾物理學獎授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostinii）、費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和安妮·盧利爾（Anne Lullier L'Huillier），以表彰他們產(chǎn)生阿秒光脈沖以研究物質(zhì)中電子動力學的實驗方法。皮埃爾·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini) 皮埃爾·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini) 是一位法裔美國實驗物理學家，因發(fā)明RABBITT（雙光子躍遷干涉重構(gòu)）來表征阿秒光脈沖而聞名。阿秒跳動）技術(shù)。他與Ferenc Krausz 和Anne L'Huillier 共同榮獲2023 年諾貝爾物理學獎。 Anne L’Huillier 來源：[1] 安妮·L’Huillier（安妮·盧利爾），1958 年出生于巴黎，法國物理學家，現(xiàn)任隆德大學原子物理學教授。她在法國薩克雷核研究中心獲得實驗物理學博士學位。自1986年起，他正式在薩克雷核研究中心工作。 1992 年，她參與了在隆德安裝歐洲第一套飛秒脈沖鈦藍寶石固態(tài)激光系統(tǒng)。 2003年，她帶領(lǐng)團隊產(chǎn)生了脈沖寬度為170阿秒的脈沖激光，打破了世界紀錄。有趣的是，L’Huillier還于2007年至2015年擔任諾貝爾物理學委員會委員。他自2004年起成為瑞典科學院院士，后來成為美國物理學會和光學學會會員。 2018年當選美國國家科學院外籍院士。 2021年，安妮因“在超快激光科學和阿秒物理學方面的開創(chuàng)性工作，實現(xiàn)和理解高次諧波的產(chǎn)生并將其應用于原子和分子中電子運動的時間分辨成像”而榮獲美國光學學會獎馬克斯·伯恩獎。 2022年，她除了獲得沃爾夫物理學獎外，還獲得了BBVA基金會基礎(chǔ)科學前沿獎。 [3] Ferenc Krausz 資料來源[1] Ferenc Krausz 1962年出生于匈牙利。他是一位匈牙利-奧地利物理學家。目前在維也納技術(shù)大學、馬克斯·普朗克量子光學研究所、路德維?！ゑR克西米利安·利恩大學等機構(gòu)工作?？藙谒乖诹_蘭大學學習理論物理學，在匈牙利布達佩斯技術(shù)大學學習電氣工程。從奧地利維也納技術(shù)大學畢業(yè)后，他成為該校的教授。 2003年，他被任命為馬克斯·普朗克量子光學研究所所長，2004年，他成為慕尼黑路德維希·馬克西米利安大學實驗物理系主任。 2006年，他與他人共同創(chuàng)立了慕尼黑先進光子學中心（MAP）并開始擔任其主任之一。 2001年，他的研究小組產(chǎn)生并測量了第一個阿秒光脈沖，并用它來捕獲原子內(nèi)部電子的運動，標志著阿秒物理學的誕生?？藙谒购退膱F隊控制飛秒脈沖波形并產(chǎn)生可重復的阿秒脈沖，建立了阿秒測量技術(shù)，這是當今實驗阿秒物理的技術(shù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，克勞斯和他的團隊正在使用飛秒激光技術(shù)作為阿秒測量的基礎(chǔ)，進一步開發(fā)用于生物醫(yī)學應用的紅外光譜，用于監(jiān)測人類健康和早期疾病篩查。他還榮獲2022年沃爾夫物理學獎和BBVA基金會基礎(chǔ)科學知識前沿獎。 [4] 超快科學的歷史發(fā)展長期以來一直是人類認識自然現(xiàn)象、推動科學進步的驅(qū)動力之一?？焖龠\動現(xiàn)象的觀察和研究。古人依靠肉眼來觀察快速的事物。例如辛棄疾寫道：“馬疾如風，弓如霹靂”。同樣是為了研究馬的奔跑姿勢，利蘭·斯坦福通過快速控制相機的快門開關(guān)拍攝了世界上第一部“電影”。

在這種情況下，相機接收到的信號實際上是光脈沖，類似于后來的超快激光。來源：Leland Stanley - 維基百科來源：物理所常國慶老師電影的時間分辨率能力一般為幾十幀，也就是幾十毫秒（10^-2s）量級。隨著技術(shù)的發(fā)展，當今的超高速相機可以實現(xiàn)微秒級（10^-3s）的時間分辨率。可以觀察人眼無法辨別的瞬態(tài)現(xiàn)象，如閃電產(chǎn)生、藥物溶解、生命反應等；同時，它可以幫助人類控制導彈發(fā)射、核爆炸等工程過程，發(fā)揮重要作用。更快的物理過程，例如電子電路的響應時間，達到納秒級別（10^-9s），需要通過示波器等儀器進行觀察。然而，這些方法往往最終受到微觀電路RC響應時間常數(shù)的限制，時間分辨率最多只能達到幾十皮秒（1皮秒=10^-12 s）[5]。高速攝像機捕捉到的雷源：bilibili-億點不一樣。然而，人類從未停止過好奇心和探索自然瞬息萬變的過程。要以更短的特征時間觀察分子尺度的微觀運動過程，例如觀察分子的旋轉(zhuǎn)和振動過程以及電子從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)的弛豫過程，需要皮秒到飛秒（1飛秒=10^- 15s) 時間分辨率。人類目前只能通過飛秒激光來實現(xiàn)這一點。而且，電子圍繞原子核的運動周期已經(jīng)達到了阿秒級別（1阿秒=10^-18s），因此要觀測電子甚至原子核內(nèi)部的運動過程，時間分辨率需要進一步達到阿秒或甚至平方秒。 （1秒=10^-21s），這只能通過阿秒激光來實現(xiàn)。激光的產(chǎn)生可以追溯到愛因斯坦提出的受激輻射，這是激光產(chǎn)生的基本原理。量子力學告訴我們，在物質(zhì)內(nèi)部，電子處于離散的能級。當電子從高能級躍遷到低能級時，它會向外輻射光子。光子的能量等于這兩個能級。能級之間的能量差就是自發(fā)發(fā)射過程。當我們從外界照射一束光時，如果光子的能量等于兩個能級之間的能量差，而電子處于高能級，那么電子就會跳躍到低能級并輻射受到外部光子干擾的光子。這就是受激輻射。我們可以注意到，最初只有一個光子入射，現(xiàn)在發(fā)射了兩個光子，因此受激輻射發(fā)射使我們能夠獲得更強的光。要實現(xiàn)持續(xù)的激光輸出，還必須滿足能級間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件，即高能級電子數(shù)量大于低能級電子數(shù)量。采用多能級結(jié)構(gòu)的物質(zhì)作為激光介質(zhì)可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。通過構(gòu)建諧振腔，可以發(fā)射高準直的激光。激光器的基本結(jié)構(gòu)可以通過控制諧振腔的損耗來實現(xiàn)脈沖激光的輸出，然后根據(jù)激光鎖模技術(shù)，可以產(chǎn)生短脈寬脈沖激光。自1960年Maiman發(fā)明紅寶石連續(xù)激光器以來，R. W. Hellwarth、A. J. DeMaria和C. V. Shank等科學家的研究小組先后于1962年、1966年和1974年研制出了納秒、皮秒到飛秒脈沖激光器。 20世紀80年代，出現(xiàn)了噪聲更低、穩(wěn)定性更高、應用最廣泛的鈦藍寶石（Ti-Sapphier）激光器[6]。 1999年諾貝爾化學獎授予加州理工學院的Ahmed H. Zewail教授，表彰他發(fā)明了一套時間分辨超快光譜技術(shù)，并利用該技術(shù)研究了化學鍵斷裂的過程?；瘜W反應[7]。

這項史無前例的研究也將人類自然科學研究帶入了一個新的、更快的、神奇的世界。 Ahmed H. Zewail 1999年諾貝爾化學獎，來源：[7] 如今，超快光譜技術(shù)已成為研究物質(zhì)微觀粒子動力學的最重要技術(shù)[8]。而且，飛秒激光帶來的時間分辨率技術(shù)與STM、XRD、電子衍射、角分辨電子能譜等其他技術(shù)的結(jié)合，使得人類能夠在時間等多個維度同時觀察最近發(fā)生的事件?？臻g和動量空間。極端的微觀物理現(xiàn)象。脈沖激光除了具有極短的脈沖寬度外，還具有極高的瞬時功率密度。這要歸功于Gerard Mourou 和Donna Strickland 在20 世紀80 年代發(fā)明的啁啾脈沖放大技術(shù)。脈沖放大，CPA）。他們還獲得了2018年諾貝爾物理學獎。 2018年諾貝爾物理學獎來源：[7]阿秒脈沖的產(chǎn)生和應用利用飛秒激光電離氣體產(chǎn)生高次諧波，從而產(chǎn)生阿秒（1as=10^-18s）級別的脈沖寬度。阿秒激光。飛秒脈沖激光是光學聚焦的。當焦點處的光強達到10^12W/cm時，其對應的電場峰值（2.710^9V/m）與原子內(nèi)部束縛電子的庫侖場（10^9V）一致。 /m）震級）幾乎相同。此時，將氣體靶放置在激光焦點附近，靶內(nèi)原子中的電子即可從束縛態(tài)電離為自由態(tài)[8]。電離電子經(jīng)飛秒激光電場加速后獲得高能量，然后與原子重新結(jié)合。在復合過程中，光場中的電子獲得的動能與從連續(xù)態(tài)到基態(tài)的躍遷能（等于電離能）的總和以高次諧波光子的形式輻射出來。這一過程是Corkum于1993年首次闡述的強場電離半經(jīng)典三步模型，是高次諧波和阿秒激光產(chǎn)生的基本原理。高次諧波產(chǎn)生三步模型示意圖來源：[8] 這三步過程在飛秒驅(qū)動激光器中每半個周期發(fā)生一次，形成一系列時間間隔相等的極紫外脈沖，并在頻域。形成梳狀離散高次諧波頻譜。頻域中的梳狀高次諧波頻譜對應于時域中的阿秒脈沖序列。然后以飛秒脈沖作為驅(qū)動源，采用相應的相位選通方法，可以粗略地理解為一個濾波過程。相位選通方法包括振幅選通、電離選通、偏振選通、雙光選通、空間選通、干涉偏振選通和偏振輔助振幅選通[8]。這樣就可以從阿秒脈沖序列中選出一個脈沖，稱為孤立阿秒脈沖。孤立阿秒脈沖有兩個重要參數(shù)，即中心光子能量和脈沖寬度。高次諧波離散譜包括擾動區(qū)、平臺區(qū)和截止區(qū)；它對應于時域中的阿秒脈沖序列。在高次諧波截止區(qū)域產(chǎn)生連續(xù)頻譜，經(jīng)過濾波后對應于時域上的一個孤立的阿秒脈沖。資料來源：[8] 2001 年，Paul 等人。 Krausz 等人采用40 fs 鈦藍寶石激光器轟擊氬氣產(chǎn)生13 至19 階高次諧波，并測量出單脈沖寬度為250as 的脈沖串[9]，同年，Krausz 等人。使用7 fs 激光脈沖在氖氣中產(chǎn)生高次諧波，并選擇光子能量約為90 eV（波長約為14 nm）的光譜。測量結(jié)果表明，這是一個約650作為脈沖的頻譜，這是首次對孤立阿秒脈沖進行實驗測量[10]。

2012 年，趙等人。獲得了中心光子能量為90 eV 的67as 的孤立脈沖。這是迄今為止使用鈦寶石激光器作為驅(qū)動光源獲得的最短阿秒脈沖[11]。最短孤立阿秒脈沖的發(fā)展歷史，括號內(nèi)的參數(shù)為中心光子能量來源：[8]2013年，中國科學院物理研究所魏志毅課題組取得160作為孤立阿秒的實驗結(jié)果脈沖測量[12]，這是我國阿秒科學領(lǐng)域的重大突破。隨后，華中科技大學、國防科技大學和中國科學院西安光學精密機械研究所的研究團隊也相繼實現(xiàn)了阿秒激光脈沖的產(chǎn)生和測量[8]。這些重要進展為人們利用阿秒激光器開展原子內(nèi)部電子研究鋪平了道路。動力學研究為揭示微觀世界瞬態(tài)過程中發(fā)生的科學問題提供了前所未有的機會。阿秒科學最早的研究之一是電子的量子躍遷行為。研究方法包括阿秒瞬態(tài)吸收光譜（ATAS）。 2013年，Krausz研究組利用飛秒泵浦和阿秒探測的實驗方法獲得了熔融石英的ATAS，闡明了介質(zhì)阿秒脈沖控制的可行性[13]。 2014年，加州大學伯克利分校的Leone研究小組和合作者利用極紫外光ATAS檢測了半導體材料硅（Si）中電子從價帶躍遷到導帶的實時行為[14] 。還有阿秒時間分辨和角度分辨光電子能譜。 2016年至2017年，美國國家標準技術(shù)研究院和科羅拉多大學的Murnane研究小組利用該方法進行了一系列研究，結(jié)果表明材料中光電子行為的弛豫時間與材料中光電子行為的弛豫時間之間存在密切的相關(guān)性。能帶結(jié)構(gòu)[15]。光的產(chǎn)生以及化學鍵的形成和斷裂都來自原子尺度上的電子運動?；瘜W鍵可以改變生物分子的結(jié)構(gòu)及其在生命系統(tǒng)中的功能，并且還負責盡快傳遞信息。因此了解電子的微觀運動也可以幫助人類從最根本的層面了解疾病的起源，或者將信息處理推向極限。阿秒科學的另一個前沿是將現(xiàn)代電子學的表面控制方法與強光相結(jié)合，實現(xiàn)阿秒脈沖聚焦，其中焦點可以進一步縮小到100納米的尺度，甚至高達10納米。因此，未來光與物質(zhì)的相互作用甚至可以在納米尺度上進行控制[1]。結(jié)語早在戰(zhàn)國時期，中國著名思想家石角就已經(jīng)提出了“上下四方曰宇宙，古今曰宇宙”的簡單時空觀。時至今日，在物理學最前沿的研究中，空間和時間仍然是最重要、最基礎(chǔ)的兩個維度。隨著科學技術(shù)的進步，人類在空間和時間尺度上不斷探索和進步。阿秒脈沖是人類目前可用的最快時間尺度。

稍后會有諾貝爾獎的官方翻譯：[1] Pitruzzello G，阿秒物理學的光明未來。納特。照片。 16 550 (2022).[2] Paul Corkum - 維基百科[3] Anne L'Huillier - 維基百科[4] Ferenc Krausz - 維基百科[5] 超快光譜技術(shù)及其在凝聚態(tài)物理研究中的應用，趙繼民，物理·第40卷（2011）第3期[6]拓撲半金屬超快動力學及相干態(tài)聲子和多鐵性材料的光譜研究_孫飛2020年中國科學院大學博士論文[7] https://www.nobelprize.org/[8] 魏志毅，徐思源，江玉嬌，等等人。阿秒脈沖產(chǎn)生技術(shù)原理及進展?？茖W通報，2021，66: 889901[9] Paul P M，Toma ES，Mullot G，等。觀察高次諧波產(chǎn)生的一系列阿秒脈沖。科學，2001，292: 16891692[10] Hentschel M，Kienberger R，Spielmann C，等。阿秒計量學。自然， 2001, 414: 509[11] 趙坤， 張清， 奇尼明， 等.通過有利的相位失配定制67 阿秒脈沖。 Opt Lett, 2012, 37: 3891[12] 詹明杰， 葉鵬， 滕輝， 等.生成并測量82 eV 的隔離160 阿秒XUV 激光脈沖。中國物理快報， 2013, 30:093201[13] Schultze M, Bothschafter E M, Sommer A , et al.用光電場控制電介質(zhì)。自然， 2013, 493: 7578[14] Schultze M, Ramasesha K, Pemmaraju C D, et al.硅中的阿秒帶隙動力學?？茖W， 2014, 346: 1348 1352[15] 郝文杰， 翟燕妮， 張千宇， 等.阿秒光源在材料領(lǐng)域的應用?？茖W公報，2021，66: 856864 編輯：諾貝爾獎團隊