美国留学

刚刚，瑞典皇家科学院决定将2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostinii）、费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和安妮·卢利尔（Anne Lullier L'Huillier），以表彰他们产生阿秒光脉冲以研究物质中电子动力学的实验方法。皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini) 皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini) 是一位法裔美国实验物理学家，因发明RABBITT（双光子跃迁干涉重构）来表征阿秒光脉冲而闻名。阿秒跳动）技术。他与Ferenc Krausz 和Anne L'Huillier 共同荣获2023 年诺贝尔物理学奖。 Anne L’Huillier 来源：[1] 安妮·L’Huillier（安妮·卢利尔），1958 年出生于巴黎，法国物理学家，现任隆德大学原子物理学教授。她在法国萨克雷核研究中心获得实验物理学博士学位。自1986年起，他正式在萨克雷核研究中心工作。 1992 年，她参与了在隆德安装欧洲第一套飞秒脉冲钛蓝宝石固态激光系统。 2003年，她带领团队产生了脉冲宽度为170阿秒的脉冲激光，打破了世界纪录。有趣的是，L’Huillier还于2007年至2015年担任诺贝尔物理学委员会委员。他自2004年起成为瑞典科学院院士，后来成为美国物理学会和光学学会会员。 2018年当选美国国家科学院外籍院士。 2021年，安妮因“在超快激光科学和阿秒物理学方面的开创性工作，实现和理解高次谐波的产生并将其应用于原子和分子中电子运动的时间分辨成像”而荣获美国光学学会奖马克斯·伯恩奖。 2022年，她除了获得沃尔夫物理学奖外，还获得了BBVA基金会基础科学前沿奖。 [3] Ferenc Krausz 资料来源[1] Ferenc Krausz 1962年出生于匈牙利。他是一位匈牙利-奥地利物理学家。目前在维也纳技术大学、马克斯·普朗克量子光学研究所、路德维希·马克西米利安·利恩大学等机构工作。克劳斯在罗兰大学学习理论物理学，在匈牙利布达佩斯技术大学学习电气工程。从奥地利维也纳技术大学毕业后，他成为该校的教授。 2003年，他被任命为马克斯·普朗克量子光学研究所所长，2004年，他成为慕尼黑路德维希·马克西米利安大学实验物理系主任。 2006年，他与他人共同创立了慕尼黑先进光子学中心（MAP）并开始担任其主任之一。 2001年，他的研究小组产生并测量了第一个阿秒光脉冲，并用它来捕获原子内部电子的运动，标志着阿秒物理学的诞生。克劳斯和他的团队控制飞秒脉冲波形并产生可重复的阿秒脉冲，建立了阿秒测量技术，这是当今实验阿秒物理的技术基础。现在，克劳斯和他的团队正在使用飞秒激光技术作为阿秒测量的基础，进一步开发用于生物医学应用的红外光谱，用于监测人类健康和早期疾病筛查。他还荣获2022年沃尔夫物理学奖和BBVA基金会基础科学知识前沿奖。 [4] 超快科学的历史发展长期以来一直是人类认识自然现象、推动科学进步的驱动力之一。快速运动现象的观察和研究。古人依靠肉眼来观察快速的事物。例如辛弃疾写道：“马疾如风，弓如霹雳”。同样是为了研究马的奔跑姿势，利兰·斯坦福通过快速控制相机的快门开关拍摄了世界上第一部“电影”。

在这种情况下，相机接收到的信号实际上是光脉冲，类似于后来的超快激光。来源：Leland Stanley - 维基百科来源：物理所常国庆老师电影的时间分辨率能力一般为几十帧，也就是几十毫秒（10^-2s）量级。随着技术的发展，当今的超高速相机可以实现微秒级（10^-3s）的时间分辨率。可以观察人眼无法辨别的瞬态现象，如闪电产生、药物溶解、生命反应等；同时，它可以帮助人类控制导弹发射、核爆炸等工程过程，发挥重要作用。更快的物理过程，例如电子电路的响应时间，达到纳秒级别（10^-9s），需要通过示波器等仪器进行观察。然而，这些方法往往最终受到微观电路RC响应时间常数的限制，时间分辨率最多只能达到几十皮秒（1皮秒=10^-12 s）[5]。高速摄像机捕捉到的雷源：bilibili-亿点不一样。然而，人类从未停止过好奇心和探索自然瞬息万变的过程。要以更短的特征时间观察分子尺度的微观运动过程，例如观察分子的旋转和振动过程以及电子从激发态返回基态的弛豫过程，需要皮秒到飞秒（1飞秒=10^- 15s) 时间分辨率。人类目前只能通过飞秒激光来实现这一点。而且，电子围绕原子核的运动周期已经达到了阿秒级别（1阿秒=10^-18s），因此要观测电子甚至原子核内部的运动过程，时间分辨率需要进一步达到阿秒或甚至平方秒。 （1秒=10^-21s），这只能通过阿秒激光来实现。激光的产生可以追溯到爱因斯坦提出的受激辐射，这是激光产生的基本原理。量子力学告诉我们，在物质内部，电子处于离散的能级。当电子从高能级跃迁到低能级时，它会向外辐射光子。光子的能量等于这两个能级。能级之间的能量差就是自发发射过程。当我们从外界照射一束光时，如果光子的能量等于两个能级之间的能量差，而电子处于高能级，那么电子就会跳跃到低能级并辐射受到外部光子干扰的光子。这就是受激辐射。我们可以注意到，最初只有一个光子入射，现在发射了两个光子，因此受激辐射发射使我们能够获得更强的光。要实现持续的激光输出，还必须满足能级间粒子数反转的条件，即高能级电子数量大于低能级电子数量。采用多能级结构的物质作为激光介质可以实现粒子数反转。通过构建谐振腔，可以发射高准直的激光。激光器的基本结构可以通过控制谐振腔的损耗来实现脉冲激光的输出，然后根据激光锁模技术，可以产生短脉宽脉冲激光。自1960年Maiman发明红宝石连续激光器以来，R. W. Hellwarth、A. J. DeMaria和C. V. Shank等科学家的研究小组先后于1962年、1966年和1974年研制出了纳秒、皮秒到飞秒脉冲激光器。 20世纪80年代，出现了噪声更低、稳定性更高、应用最广泛的钛蓝宝石（Ti-Sapphier）激光器[6]。 1999年诺贝尔化学奖授予加州理工学院的Ahmed H. Zewail教授，表彰他发明了一套时间分辨超快光谱技术，并利用该技术研究了化学键断裂的过程。化学反应[7]。

这项史无前例的研究也将人类自然科学研究带入了一个新的、更快的、神奇的世界。 Ahmed H. Zewail 1999年诺贝尔化学奖，来源：[7] 如今，超快光谱技术已成为研究物质微观粒子动力学的最重要技术[8]。而且，飞秒激光带来的时间分辨率技术与STM、XRD、电子衍射、角分辨电子能谱等其他技术的结合，使得人类能够在时间等多个维度同时观察最近发生的事件。空间和动量空间。极端的微观物理现象。脉冲激光除了具有极短的脉冲宽度外，还具有极高的瞬时功率密度。这要归功于Gerard Mourou 和Donna Strickland 在20 世纪80 年代发明的啁啾脉冲放大技术。脉冲放大，CPA）。他们还获得了2018年诺贝尔物理学奖。 2018年诺贝尔物理学奖来源：[7]阿秒脉冲的产生和应用利用飞秒激光电离气体产生高次谐波，从而产生阿秒（1as=10^-18s）级别的脉冲宽度。阿秒激光。飞秒脉冲激光是光学聚焦的。当焦点处的光强达到10^12W/cm时，其对应的电场峰值（2.710^9V/m）与原子内部束缚电子的库仑场（10^9V）一致。 /m）震级）几乎相同。此时，将气体靶放置在激光焦点附近，靶内原子中的电子即可从束缚态电离为自由态[8]。电离电子经飞秒激光电场加速后获得高能量，然后与原子重新结合。在复合过程中，光场中的电子获得的动能与从连续态到基态的跃迁能（等于电离能）的总和以高次谐波光子的形式辐射出来。这一过程是Corkum于1993年首次阐述的强场电离半经典三步模型，是高次谐波和阿秒激光产生的基本原理。高次谐波产生三步模型示意图来源：[8] 这三步过程在飞秒驱动激光器中每半个周期发生一次，形成一系列时间间隔相等的极紫外脉冲，并在频域。形成梳状离散高次谐波频谱。频域中的梳状高次谐波频谱对应于时域中的阿秒脉冲序列。然后以飞秒脉冲作为驱动源，采用相应的相位选通方法，可以粗略地理解为一个滤波过程。相位选通方法包括振幅选通、电离选通、偏振选通、双光选通、空间选通、干涉偏振选通和偏振辅助振幅选通[8]。这样就可以从阿秒脉冲序列中选出一个脉冲，称为孤立阿秒脉冲。孤立阿秒脉冲有两个重要参数，即中心光子能量和脉冲宽度。高次谐波离散谱包括扰动区、平台区和截止区；它对应于时域中的阿秒脉冲序列。在高次谐波截止区域产生连续频谱，经过滤波后对应于时域上的一个孤立的阿秒脉冲。资料来源：[8] 2001 年，Paul 等人。 Krausz 等人采用40 fs 钛蓝宝石激光器轰击氩气产生13 至19 阶高次谐波，并测量出单脉冲宽度为250as 的脉冲串[9]，同年，Krausz 等人。使用7 fs 激光脉冲在氖气中产生高次谐波，并选择光子能量约为90 eV（波长约为14 nm）的光谱。测量结果表明，这是一个约650作为脉冲的频谱，这是首次对孤立阿秒脉冲进行实验测量[10]。

2012 年，赵等人。获得了中心光子能量为90 eV 的67as 的孤立脉冲。这是迄今为止使用钛宝石激光器作为驱动光源获得的最短阿秒脉冲[11]。最短孤立阿秒脉冲的发展历史，括号内的参数为中心光子能量来源：[8]2013年，中国科学院物理研究所魏志毅课题组取得160作为孤立阿秒的实验结果脉冲测量[12]，这是我国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相继实现了阿秒激光脉冲的产生和测量[8]。这些重要进展为人们利用阿秒激光器开展原子内部电子研究铺平了道路。动力学研究为揭示微观世界瞬态过程中发生的科学问题提供了前所未有的机会。阿秒科学最早的研究之一是电子的量子跃迁行为。研究方法包括阿秒瞬态吸收光谱（ATAS）。 2013年，Krausz研究组利用飞秒泵浦和阿秒探测的实验方法获得了熔融石英的ATAS，阐明了介质阿秒脉冲控制的可行性[13]。 2014年，加州大学伯克利分校的Leone研究小组和合作者利用极紫外光ATAS检测了半导体材料硅（Si）中电子从价带跃迁到导带的实时行为[14] 。还有阿秒时间分辨和角度分辨光电子能谱。 2016年至2017年，美国国家标准技术研究院和科罗拉多大学的Murnane研究小组利用该方法进行了一系列研究，结果表明材料中光电子行为的弛豫时间与材料中光电子行为的弛豫时间之间存在密切的相关性。能带结构[15]。光的产生以及化学键的形成和断裂都来自原子尺度上的电子运动。化学键可以改变生物分子的结构及其在生命系统中的功能，并且还负责尽快传递信息。因此了解电子的微观运动也可以帮助人类从最根本的层面了解疾病的起源，或者将信息处理推向极限。阿秒科学的另一个前沿是将现代电子学的表面控制方法与强光相结合，实现阿秒脉冲聚焦，其中焦点可以进一步缩小到100纳米的尺度，甚至高达10纳米。因此，未来光与物质的相互作用甚至可以在纳米尺度上进行控制[1]。结语早在战国时期，中国著名思想家石角就已经提出了“上下四方曰宇宙，古今曰宇宙”的简单时空观。时至今日，在物理学最前沿的研究中，空间和时间仍然是最重要、最基础的两个维度。随着科学技术的进步，人类在空间和时间尺度上不断探索和进步。阿秒脉冲是人类目前可用的最快时间尺度。

稍后会有诺贝尔奖的官方翻译：[1] Pitruzzello G，阿秒物理学的光明未来。纳特。照片。 16 550 (2022).[2] Paul Corkum - 维基百科[3] Anne L'Huillier - 维基百科[4] Ferenc Krausz - 维基百科[5] 超快光谱技术及其在凝聚态物理研究中的应用，赵继民，物理·第40卷（2011）第3期[6]拓扑半金属超快动力学及相干态声子和多铁性材料的光谱研究_孙飞2020年中国科学院大学博士论文[7] https://www.nobelprize.org/[8] 魏志毅，徐思源，江玉娇，等等人。阿秒脉冲产生技术原理及进展。科学通报，2021，66: 889901[9] Paul P M，Toma ES，Mullot G，等。观察高次谐波产生的一系列阿秒脉冲。科学，2001，292: 16891692[10] Hentschel M，Kienberger R，Spielmann C，等。阿秒计量学。自然， 2001, 414: 509[11] 赵坤， 张清， 奇尼明， 等.通过有利的相位失配定制67 阿秒脉冲。 Opt Lett, 2012, 37: 3891[12] 詹明杰， 叶鹏， 滕辉， 等.生成并测量82 eV 的隔离160 阿秒XUV 激光脉冲。中国物理快报， 2013, 30:093201[13] Schultze M, Bothschafter E M, Sommer A , et al.用光电场控制电介质。自然， 2013, 493: 7578[14] Schultze M, Ramasesha K, Pemmaraju C D, et al.硅中的阿秒带隙动力学。科学， 2014, 346: 1348 1352[15] 郝文杰， 翟燕妮， 张千宇， 等.阿秒光源在材料领域的应用。科学公报，2021，66: 856864 编辑：诺贝尔奖团队