诺奖带人类进入阿秒时代拍摄电子和生命流动的瞬间

2023年诺贝尔物理学奖授予俄亥俄州立大学的Pierre Agostini, 匈牙利-奥地利物理学家 Ferenc Krausz 和 法国/瑞典物理学家 Anne L’Huillier，获奖理由：表彰他们在物质电子动力学研究中产生阿秒光脉冲的实验方法。

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

如果相机够快，拍下来的都是“慢动作”。

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。

发明这种基础科学的新工具、新技术的科学家们，将人类带进了阿秒时代。

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

电子绕氢原子核一周大约需要150阿秒（10^-18秒），而目前阿秒脉冲的世界纪录是43阿秒脉冲。

10月3日下午，中国科学院物理研究所副研究员、博士生导师方少波说：进一步增强阿秒脉冲，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，一直没有发表论文，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、博士生导师刘一表示，2023年三位诺贝尔物理学奖得主中，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，先后在安妮实验室进行过4次合作实验。

刘一回忆安妮：她出生在法国巴黎，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。安妮是第5位被授予诺贝尔物理学奖的女性。

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、产生介质等方面进行改进外，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，就是为了产生更强的阿秒脉冲。

阿秒脉冲：最快的光？错！

有人直观上认为阿秒脉冲是最快的光，所以能追踪飘忽运动的电子。

但实际上，在同一介质中，光速不变。

“更准确地说，是最短的，目前最短的光脉冲。”刘一说。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。”

静止是相对的。

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，激光笔也没有那么快响应。。”

飞秒激光却可以“按得”这么快。

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。

用飞秒激光驱动气体等介质，可以产生阿秒尺度的光脉冲。

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。

冷门领域！36年前解决原理问题，20年前突破技术难题

“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”。

等了至少20年，阿秒脉冲领域的研究者才收获第一个诺贝尔奖。

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经相对成熟了。但还有一个问题没有克服：如何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。”

应用于超高灵敏度检测，或冲击下一个诺奖？

阿秒脉冲在材料科学和医学诊断等领域都有应用潜力。

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测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年诺贝尔物理学奖得主、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）。

费伦茨·克劳斯于1962年5月17日出生在匈牙利。

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，它实际上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，所以这种方法可以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门针对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。

阿秒脉冲

一、背景

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。脉冲激光工作方式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20世纪激光诞生开始到其后的80年代，脉冲激光的单个脉冲时间可以达到皮秒量级。随着激光技术的不断发展，激光的脉冲宽度也在不断缩小。1981年，贝尔实验室的福克等人采用锁模技术将脉冲激光的脉冲宽度缩小到小于100 fs。2001年，奥地利维也纳技术大学的克劳茨研究组（2023年Nobel奖获得者）在实验上成功地利用气体高次谐波产生了脉宽为650 as（阿秒）的单个光脉冲，使光脉冲宽度达到阿秒量级。

阿秒脉冲激光的出现被认为是激光科学历史上最重要的里程碑之一，应用前景难以估量，目前已经成为物理、化学、生物等众多领域重要的研究手段，成功用于测量和控制内壳层束缚电子运动等过程，将人们研究物质结构的视野从分子拓展到原子内部。阿秒脉冲激光技术的发展，引发了X射线、自由电子激光、可控高温超导、超高分辨成像、电子信息处理等领域科学与技术层面研究的诸多重大突破。鉴于其巨大的潜在应用价值，美国、欧洲、日本等将阿秒激光技术列为未来10年激光科学发展最重要的发展方向之一。

不同运动过程的时间尺度

1阿秒=10^-18秒，阿秒到底有多短？目前，我们可以观测到的最长时间尺度是我们的宇宙的年龄，大约为140亿年，即4x10^17秒。1阿秒比上1秒，就相当于1秒比上整个宇宙年龄的长短。

二、原理

如何将脉冲光压缩到阿秒量级？在傅里叶变换中，时域的一个脉冲越窄，它在频域空间的带宽就越大。也就是说，如果我们能产生足够大带宽，相位锁定的相干光，它天然的就是超短脉冲。根据能量和时间的不确定关系，当连续谱频率宽度达到4eV以上时，我们就可以获得阿秒脉冲了。刚好，高次谐波产生就能提供这样的一个宽频带的相干光源。

目前阿秒脉冲激光主要是由飞秒（10^-15秒）激光（也称超快超强激光）作用于惰性气体而产生的高次谐波所形成的。高次谐波产生（high harmonic generation，HHG）是一种极端的非线性效应，强场激光聚焦到气体介质上的时候，会发生非线性效应，可以得到上百阶的高能谐波光子。作为一种相干的宽谱高能光源，它可以用来产生阿秒脉冲（10^-18s）。

瞬时功率(peak intensity)高达10^14 W/cm^2的飞秒脉冲与惰性稀有气体相互作用，可产生高次谐波HHG的过程

气体中高次谐波产生非线性过程是阿秒科学的基石之一，广泛应用于许多科学领域，包括物理、化学和生物学。

为了更直观理解气体高次谐波产生的物理机制，引入半经典三步模型。半经典三步模型：第一步为隧穿电离，强激光场使气体原子的库伦势发生倾斜，电子能够通过隧道电离方式逃离原子核的束缚，进入连续态；第二步是强场加速，进入连续态的电子则在外加激光电场力的驱动下加速运动，下进行加速运动，从而积累一定的动能；第三步是复合发光，加速运动的电子会在某些时刻以一定概率再回到电离的原子核附近与之发生复合，在复合过程中电子会将其在激光电场中运动累积的动能进行释放，也即将动能转化为高次谐波光子的能量。

利用高次谐波产生阿秒脉冲激光过程

电子在激光场不同时刻电离后, 在光场中飞行获得的能量不同, 最终复合时释放的能量也不同, 因此产生覆盖较宽的光谱, 形成一个极紫外脉冲. 该三步过程在飞秒驱动激光每半个周期发生一次, 形成一个等时间间距的极紫外脉冲序列, 并在频域发生干涉而形成梳齿状的分立HHG光谱。

按照谐波级次强弱变化分类, 其频谱可分为3个部分: 微扰区, 区内高次谐波的级次较低, 谐波效率随着级次的提升而快速下降; 平台区, 谐波光谱的中部, 各级次强度相差不大; 截止区, 该区域的谐波级次较高, 效率也随着级次的提升而下降, 也有可能是没有干涉的连续光谱。

HHG在驱动飞秒激光(有时也称为基频光)的每半个光周期产生一次, 辐射出的极紫外脉冲宽度小于半个光周期, 达到亚飞秒即阿秒量级. 频域中梳齿状的HHG谱在时域上对应一个阿秒脉冲序列, 或称阿秒脉冲串. 利用飞秒脉冲作为驱动源, 并采用相应的选通(gating)方法, 就可以从HHG的阿秒脉冲序列中选出一个脉冲, 称为孤立阿秒脉冲; 其与驱动脉冲重复频率相同, 且精确同步。

三、发展现状

脉宽纪录不断被刷新。2001年，由当时在奥地利维也纳技术大学的费伦茨·克劳兹教授领导的国际研究小组利用上述原理首次获得脉宽650阿秒激光；2006年，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的亚历山大和威廉等人利用级联自由电子激光器产生的飞秒激光脉冲激发惰性气体，产生了脉宽为100阿秒超短激光脉冲；2012年，美国中佛罗里达大学赵昆等人使用双偏振门控方法，将飞秒激光脉冲激发氖气形成高次谐波，获得了67阿秒的超短激光脉冲；2017年，瑞士苏黎世联邦理工学院托马斯·高姆尼茨（Thomas Gaumnitz）进一步将脉冲时间缩短到43阿秒。

阿秒激光诱导电子振荡技术获得突破。2013年，德国马普光学研究所阿秒物理实验室发现，超高峰值功率的超短激光脉冲可以改变绝缘材料电特性，在绝缘体中引发超快振荡的电场和电流，电场和电流的振荡与入射激光的“开”与“关”直接相关，进而说明绝缘体导电性的转换是在阿秒级时间内完成的，该实验证明材料的基本导电特性能够以光场的振荡速度来增加或减小。

人工控制电子技术取得重大进展。上述现象的发现为研制处理频率达拍赫兹（10^15赫兹）量级的电子开关器件奠定了基础，这个频率是当前的电子开关处理频率的数万倍。2016年，马普光学研究所联合美国佐治亚州立大学、日本筑波大学等组成国际研究团队，将只包含一个强振荡脉冲的激光作用于二氧化硅固体材料（脉宽时间内电子只能向左和向右振荡一次），然后使用脉宽短于100阿秒的光学手段测量驱动光场的空间电场结构，从而首次实现对固体材料中电子动力学过程的探测。研究发现：电子在经历几十个阿秒之后与入射激光场的相互作用，这个过程的延迟时间决定了激光场与材料之间交换的能量。模拟计算表明，通过调整光场的振幅可以优化激光与材料之间交换的能量，从而证明了通过控制激光脉冲优化超快信号处理过程中的能量交换，使电子器件的发热量达到最低的理论可行性。

四、产生装置

阿秒激光装置由阿秒激光产生、阿秒条纹相机测量、阿秒时间分辨应用以及XUV平场光谱仪等单元组成。以上述CEP锁定的周期量级激光脉冲与惰性气体相互作用，所产生的高次谐波（HHG）即具有阿秒时间特性。利用阿秒条纹相机测量红外驱动激光与HHG共同作用产生的光电子谱扫描条纹，得出单个阿秒脉冲宽度为160as，下图是首次在国内测量得到的阿秒激光脉冲实验装置，标志着我们的研究进入到了阿秒世界。

阿秒脉冲激光技术打开了一扇通往研究电子的极端超快运动过程的大门。

对生化反应实现量子相干控制。量子相干控制的基本思想是：脉冲宽度足够短，入射光与原子相互作用极快，不会受到外界环境的影响，这样，就可以通过改变激光脉冲，控制反应按照特定的方式进行，得到预期的效果。在生物、化学反应中，分子角动量起到非常重要的作用。但分子角动量的空间分布是随机的，控制角动量极具挑战。脉冲宽度为飞秒至阿秒量级的超快激光，可对生化反应过程进行全面控制，从而得到预期的结果。比如在生命科学中，阿秒脉冲激光将最终从根本上（电子运动方式的层面）帮助人们弄清楚疾病产生的微观起因、形成和发展。

可大幅提升电子器件运行速度。现代电子学无论在时间还是空间上都在朝着原子量级推进，这就意味着有有望在原子尺度内制作电路，并通过控制光电场开关电流。阿秒脉冲激光技术为研制拍赫兹的超高频电子器件开辟了道路，可将电子器件的运行速度提高几个数量级且有望解决电子器件发热严重的问题，可能成为新一轮电子信息技术革命的推动力。

有望助力能源革命。在能源领域，可利用阿秒脉冲激光研究新材料中的电子和空穴对之间的电荷转移机制，控制电子的转移过程，推进超导技术研究，提升人工光合作用和太阳能电池的效率。

参考文献：

[1] 魏志义,许思源,江昱佼,高亦谈,赵昆,朱江峰.阿秒脉冲产生的技术原理及进展[J].科学通报,2021,66(08):889-901.

[2] 兰鹏飞,陆培祥.阿秒激光脉冲的产生与操控[J].科学通报,2021,66(08):847-855.[3] 西南科技大学，阿秒脉冲激光技术