阿秒激光給電子運(yùn)動(dòng)按下“超級(jí)快門(mén)”

2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費(fèi)倫茨·克勞斯和安妮·呂利耶， 以表彰他們的實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生了阿秒光脈沖，用于研究物質(zhì)中的電子動(dòng)力學(xué)。

阿秒是原子中的電子運(yùn)動(dòng)時(shí)間尺度

人們常用量子力學(xué)計(jì)算物理量的平均值，但是量子力學(xué)也描述了微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，最基本的薛定諤方程就是對(duì)動(dòng)力學(xué)的描述。以前由于實(shí)驗(yàn)手段的限制，不能直接測(cè)量電子在原子中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。一個(gè)關(guān)鍵因素是，如果運(yùn)動(dòng)非?？臁⒖臻g尺度非常小，那么探測(cè)手段也要非?？?、非常小。

可以用拍照來(lái)類(lèi)比。拍攝照片時(shí)，雖然光一直照射著，但是打開(kāi)快門(mén)的時(shí)間很短，進(jìn)入相機(jī)的其實(shí)是一個(gè)光脈沖。一般來(lái)說(shuō)，即使被拍的人或物在運(yùn)動(dòng)，在快門(mén)打開(kāi)的短時(shí)間內(nèi)，是幾乎不動(dòng)的，因此可以拍出清晰的照片。但是，如果被拍的人或物運(yùn)動(dòng)過(guò)快，打開(kāi)快門(mén)的時(shí)間相對(duì)過(guò)長(zhǎng)，光脈沖時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，那么這段時(shí)間內(nèi)，人或物的狀態(tài)改變了，導(dǎo)致反射光也改變了，不同的光疊加在一起，導(dǎo)致照片模糊。對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的人或物，快門(mén)也要高速，這就是高速相機(jī)。

電子運(yùn)動(dòng)很快，與一個(gè)光脈沖耦合時(shí)，它們耦合效果是脈沖時(shí)間內(nèi)的總效果。如果光脈沖足夠短，在這段短時(shí)間內(nèi)，電子相對(duì)來(lái)說(shuō)幾乎沒(méi)動(dòng)，那么耦合效果就體現(xiàn)在電子這時(shí)的狀況。當(dāng)然，這里的光是相干光，即步調(diào)一致的光，也就是激光。

測(cè)量快速運(yùn)動(dòng)的電子，需要足夠短的光脈沖，與電子運(yùn)動(dòng)時(shí)間尺度相當(dāng)。分子中的電子運(yùn)動(dòng)時(shí)間尺度是飛秒（10^-15秒，即1飛秒只有1秒的一千萬(wàn)億分之一），需要用飛秒激光脈沖去研究。而原子中的電子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度是阿秒（10^-18秒），需要用阿秒激光脈沖去研究。

阿秒激光脈沖的產(chǎn)生

飛秒激光是通過(guò)鎖模和光脈沖時(shí)間測(cè)量等技術(shù)獲得的，理論基礎(chǔ)來(lái)自非線性光學(xué)。飛秒激光用于研究分子中的原子運(yùn)動(dòng)，特別是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。但是因?yàn)楣獾膯蝹€(gè)周期的時(shí)間尺度是1飛秒，所以傳統(tǒng)激光不可能有更短的脈沖。事實(shí)上，以前的最短脈沖是6飛秒，遠(yuǎn)大于阿秒，因此更短的激光脈沖需要全新的方法來(lái)產(chǎn)生。

阿秒激光脈沖的產(chǎn)生是基于波的疊加或傅里葉合成，即任何波形都可以由各種周期的波疊加而成。當(dāng)光通過(guò)原子時(shí)，二者的相互作用會(huì)引起倍頻光，頻率是入射光頻率的各種整數(shù)倍，類(lèi)似音樂(lè)中的倍音。這些倍頻光可以疊加成短脈沖。

阿秒脈沖的應(yīng)用

阿秒脈沖有幾十或幾百阿秒長(zhǎng)，光子能量達(dá)到幾百電子伏特，可以用于觀測(cè)和測(cè)量電子的運(yùn)動(dòng)，比如將電子從原子中剝離所需的時(shí)間，或者電子分布在分子或材料中，也可以探測(cè)物質(zhì)的內(nèi)部過(guò)程。

最近，阿秒光譜拓展到分子、液體和固體，研究電子動(dòng)力學(xué)對(duì)化學(xué)環(huán)境的依賴(lài)關(guān)系，比如水或水汽中的電子光致發(fā)射的時(shí)間延遲。在阿秒時(shí)間尺度上，電子之外的其他動(dòng)力學(xué)都是凝固不動(dòng)的。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，極端紫外阿秒脈沖列與紅外飛秒脈沖疊加，與液相或氣相的水作用，從液相出來(lái)的光電子比氣相延遲50到70阿秒。

對(duì)于固體來(lái)說(shuō)，阿秒光譜有望給出很多相互作用的信息，比如，電荷轉(zhuǎn)移和屏蔽、電荷產(chǎn)生、電子間的散射等。用阿秒激光研究生物流體的分子組成，將來(lái)可能用于疾病診斷，優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)檢查很多分子，而且這里的輻射是無(wú)害的。

阿秒激光從原子物理的多光子過(guò)程發(fā)展起來(lái)，擴(kuò)展到原子和分子物理、物理化學(xué)、凝聚態(tài)物理、發(fā)光學(xué)，乃至生物學(xué)等多學(xué)科的前沿領(lǐng)域，有望擴(kuò)展到電子學(xué)和醫(yī)學(xué)，從而有助于醫(yī)學(xué)診斷。

（作者施郁 系中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、全國(guó)量子力學(xué)研究會(huì)副理事長(zhǎng)）