阿秒脉冲为探究微观世界提供了“钥匙”

国庆期间，瑞典皇家科学院宣布了荣获今年诺贝尔物理学奖的三位获奖者和他们的研究成果。他们是来自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·呂利耶（Anne L’Huillier）。三人将平分奖金，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。

当人类感知快速运动的事件时，这些事件会相互交错，就像一部由静止图像组成的电影被感知为连续的运动一样。如果我们想研究真正短暂的事件，就需要特殊技术。在电子世界里，变化发生在十分之几阿秒的时间里。获奖者的实验产生了如此短的光脉冲，以至于可以用阿秒来测量，从而证明这些脉冲可以用来提供原子和分子内部过程的图像。

阿秒脉冲打开“新世界”

脉冲激光在人类认识微观世界上，发挥着无比重要的作用。不同脉冲频率的激光，犹如我们特殊的眼睛，帮助探索微观世界。在微观物理领域，阿秒的重要性如同打开一扇大门的钥匙。借助阿秒激光，可以帮助我们“进入”亚原子世界，观测电子的移动以及能量改变。

因此，获得今年诺贝尔物理学奖的3位研究者，正是找到了创造阿秒激光脉冲的方法，获得了打开新世界的“钥匙”。

激光原理，可以追溯到1916年爱因斯坦关于光与物质相互作用的理论。电子从高能级回落到低能级，所释放（激发）出来的光子，汇聚成束就是激光。特殊的产生形式，也令激光具有单色性、方向性好、亮度高、相干性高等特征。

人类真正制造出激光，已经是20世纪60年代：在红宝石晶体基质Al₂O₃中掺入约0.05%的Cr₂O₃，从而使红宝石中的电子泵浦到相同的较高激发态上，然后在极短时间内掉到同一较低能级上，从而获得高单色性的激光。激光的激发特性，也决定了最容易获得的是脉冲激光。脉冲特性比连续激光（需要让激发的电子能级均匀分布）更加适合用在微观研究领域。

1987年，安妮·呂利耶发现当她将红外激光穿过惰性气体时，会产生许多不同的“泛音”。这就像是弹吉他，手指拨弦振动产生了某种基频的声音，如果受其它因素干扰，产生的音波互相影响而出现的谐波，就是泛音。

人在说话时之所以能改变发声，很大程度上并不是直接改变声带的振动，而是通过喉咙、口腔、鼻腔共鸣产生泛音，从而对最终发声产生影响。激光泛音，正是激光与惰性气体原子相互作用而产生的，本质上是一种高次谐波。

每个泛音都是一种光波，激光的每个周期都有一定数量的循环。它们是由于激光与气体中的原子相互作用而产生的；激光给一些电子提供了额外的能量，然后这些电子就会以光的形式发射出来。20世纪90年代，安妮·呂利耶和她的团队致力于研究泛音。他们对光谱形状进行了预测，认识到这是单电子效应，并对高次谐波过程提出了清晰理解。

电子在强激光作用下发生隧穿电离，离开原子，然后在激光场中加速，获得能量。最后再落回原子场中，把刚才获得的能量以光子的形式释放而出。电子被激光强电离，吸收能量后再次落回轨道，从而激发出新的光子。由于都是相同性质的光，所以这些光波重叠时，相同方向的波会成倍增强，而相反方向的波则会互相抵消。当重合到一个恰到好处的位置，高次谐波激光便产生了。

1979年，皮埃尔·阿戈斯蒂尼和他的团队在实验中发现了原子的超阈值电离，这正是激光高次谐波产生的基础。而到了1994年，皮埃尔·阿戈斯蒂尼团队发明了RABBITT（通过双光子跃迁干涉重建阿秒跳动）技术，从而有了测量高次谐波阿秒脉冲持续时间的可能。2001年，皮埃尔·阿戈斯蒂尼用氩气实现了250阿秒的一系列连续光脉冲，并用RABBITT技术进行了测量。这种技术可以使脉冲串（一系列高次谐波）与激光延迟部分放在一起，从而可以观察泛音彼此同相的过程，同时测量脉冲持续时间。

与此同时，费伦茨·克劳斯则通过使用多层XUV反射镜选择更少周期的脉冲在截止点附近产生谐波，制造出了650阿秒的单个光脉冲，同时进行了相应的光电子能谱分析。3位获奖者的贡献，使当下的研究者能够研究以前无法跟踪的快速过程。未来，阿秒激光在原子、分子，以及电子动力学、凝聚态物理有了前所未有的用武之地。

“我们现在可以打开通往电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会了解受电子支配的机制。下一步将是利用它们。”诺贝尔物理学奖委员会主席Eva Olsson表示。

获奖者感言

在接到诺贝尔奖委员会的电话后不久，刚刚在瑞典隆德大学讲完课的安妮·呂利耶说：最后半小时的演讲有点难。获得这个奖项的女性并不多，所以这是非常特别的。她本人在2013年就获得了卡尔蔡司研究奖，成为继1903年的玛丽·居里、1963年的玛丽亚·戈珀特·迈尔、2018年的光子学先驱唐娜·斯特里克兰和2020年的安德烈娅·盖兹之后，第五位获得物理学诺贝尔奖的女性。

在被问及阿秒科学的实际用途时，安妮·呂利耶提到了观察电子及其特性的基本能力，以及作为半导体计量学成像技术的潜力，这些都是关键应用。

费伦茨·克劳斯的阿秒研究始于维也纳技术大学，现任德国加兴马克斯普朗克量子光学研究所阿秒部门主任的他在回应自己的呼吁时，他感谢为阿秒突破做出贡献的众多同事和合作者。他补充说：“我非常感谢他们所有人。没有他们的贡献，没有真正协调一致的研究努力，这一切都不可能实现。”

当被问及阿秒脉冲最令他兴奋的是什么时，费伦茨·克劳斯说，看到别人以前看不到的东西总是令人兴奋的。他仍然清楚地记得2001年一个特别的早晨，在维也纳研究所的地下室实验室里感受到的兴奋。当时，他所在的研究团队首次在可见光的振荡周期内解析了电子动力学。

除了学术工作，费伦茨·克劳斯在商业上也取得了成功。当他还在弗吉尼亚理工大学担任博士后研究员时，就与他人共同创办了一家衍生公司Femtolasers Produktions，利用啁啾镜从钛蓝宝石激光器中产生了10飞秒以下的红外脉冲。

随后，Femtolasers的一个光源被选为布拉格极光基础设施（ELI）光束线的种子激光器，之后该公司被Newport的Spectra-Physics Lasers 部门收购。费伦茨·克劳斯还与工业激光巨头 通快合作，成立了合资公司Trumpf Scientific Lasers。目前，费伦茨·克劳斯和他的研究小组将宽带光学、超快激光源和精确的飞秒-阿秒场分辨技术结合起来，开发出一种“分子指纹”技术，可以检测生物流体成分的变化。

诺贝尔奖委员会认为，这种技术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疾病的特征分子踪迹，主要优点是可以同时监测许多分子，并使用无害的非电离辐射源。