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本文作者：刘鑫耀博士，西班牙光电子研究所（ICFO - The Institute of Photonic Sciences）博士后研究员

图片|刘鑫耀博士，西班牙光电研究所（ICFO - 光子科学研究所）博士后研究员（来源：刘鑫耀）

高速摄像机捕捉物体在快速变化时刻的运动。动作发生的时间越短，记录它的“快门”就需要越快，否则图像就会产生残像。从摄影术诞生到19世纪末，相机的曝光时间很长，无法记录高速运动的清晰图像。直到1878年，英国摄影师埃德沃德·J·迈布里奇(Eadweard J. Muybridge)拍摄了赛马照片，首次展示了马在奔跑时四蹄同时离地的瞬间。为了跟踪如此高速的运动，摄影技术必须提高其时间分辨率或快门速度，这使我们能够跟踪人眼无法跟踪的高速过程。普通相机以每秒24 帧的速度拍摄，这意味着快门在一秒钟内打开和关闭24 次，而高速相机可以以低于1/1000 秒的曝光或超过250 帧的速率捕捉运动图像每秒。这项技术对于记录闪电和爆炸等瞬态事件至关重要。

如果你想记录微观世界的变化，比如化学反应的瞬间、化学键的断裂和形成、分子的旋转和振动，你需要更快的快门，范围从皮秒到飞秒（1飞秒=10 -15秒）。 2023 年诺贝尔物理学奖获得者将以更高的时间分辨率观察电子尺度的运动。

北京时间10月3日下午17时45分左右，美国俄亥俄州立大学教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼和德国马克斯·普朗克量子光学研究所教授费伦茨·克劳斯三位实验物理学家费伦茨·克劳斯瑞典隆德大学教授Anne L'Huillier 因能够捕捉电子运动的“高速摄影师”而荣获2023 年诺贝尔物理学奖。该奖项表彰开发能够产生阿秒光脉冲以研究物质中电子动力学的实验方法。其中，安妮·吕利尔也是历史上第五位获得诺贝尔物理学奖的女性。

（来源：诺贝尔奖官网）

要理解这个诺贝尔奖的意义，就必须掌握阿秒物理的概念。阿秒(as) 是一个极短的时间单位，等于十分之一秒(10^-18)。光在1秒内传播30万公里，可绕地球约7.5圈。然而，在1 as时间内，光只能传播0.3nm，而百万分之一头发丝的长度比这个距离还长。阿秒光脉冲相当于快门时间为阿秒级别的高速相机。在这个极小的时间尺度内，可以观察和控制原子和分子内电子的行为，从而加深我们对电子运动过程的理解。

1987年，Anne L'Huillier成功观测到近红外激光引起的高次谐波现象，迈出了阿秒物理学的第一步。她和同事在法国巴黎萨克雷大学研究氩离子时发现，具有一定能量的皮秒激光脉冲与气体相互作用后，会释放出一系列为激光频率奇数倍的谐波。即高次谐波[1]。在随后的理论研究中，他们还预测了高次谐波产生阿秒脉冲的可能性。 1993年，在加拿大国家研究委员会工作的物理学家Paul Corkum等人从理论上提出并发展了一个重要的电子重散射三步模型（如图1所示）。

图1中第一张小图是指电子在强激光作用下隧道电离，成为自由电子。第二张小图是隧道电离后的电子被外部激光电场加速，半个光学周期后方向反转。第三张小图是加速的电子在反向电场的作用下以一定的概率回到电离核附近并与之复合。在复合过程中，电子将以光的形式释放积累的动能和电离能。然后显示为高次谐波。上述三步模型为深入认识强场物理过程以及后来蓬勃发展的阿秒物理研究奠定了理论基础[2, 3]。

图|高次谐波产生三步模型示意图（来源：萨拉曼卡大学）

随后，许多科学家意识到这些高频光子可以用来产生极短的光脉冲，并后续进行了大量的理论和实验研究，验证了产生阿秒脉冲的可能性。然而，人们仍然不确定仅具有频域信息的高次谐波在时域是否可以被确认为阿秒脉冲。

直到2001年，曾在法国巴黎萨克雷大学和法国原子能委员会工作的皮埃尔·阿戈斯蒂尼和他的团队通过双光子、双色光电离形成并成功测量了时域脉冲来测量相位。宽度为250as、相邻脉冲之间的间隔为1.35fs 的阿秒脉冲串[6]。

同年，当时在奥地利维也纳技术大学的费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）的研究小组产生并测量了第一个孤立的阿秒脉冲。实验中，他将800nm、40fs、1kHz、3mJ的激光压缩到7fs左右，然后聚焦在氖气上。他成功地产生并测量了第一个650as的孤立阿秒脉冲，并用它来捕获原子中电子的运动[7]。

总体而言，Anne L'Huillier 的贡献在于观察到了近红外激光诱发的高次谐波的产生，为后续阿秒脉冲的产生奠定了基础；皮埃尔·阿戈斯蒂尼和费伦茨·克劳斯的贡献在于成功产生阿秒脉冲。并首次证实其处于阿秒级。

图|孤立阿秒脉冲的脉宽不断缩短（来源：《科学通报》）

孤立阿秒脉冲也从最初的650as不断缩短，直到2017年中佛罗里达大学常增虎教授研究组获得了53as的孤立阿秒脉冲，其光子能量达到了碳K吸收边（284eV） 。同年，瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员还利用长波长飞秒激光器作为驱动脉冲，产生了43as的孤立阿秒脉冲，这也是迄今为止最短阿秒脉冲的世界纪录。

阿秒科学新研究领域的开辟，为原子、分子、凝聚态物理、化学、生物学等诸多学科提供了更多的可能性，让物理过程的瞬时变化得以呈现，也让我们了解许多原来不为人知的现象。

在生物化学领域，化学反应的本质来自于原子尺度上电子的运动。阿秒脉冲激光将帮助人们从根本上（在电子运动层面）了解疾病的微观原因、形成和发展。在能源领域，阿秒脉冲激光器有助于探测新材料中电子与空穴之间的电荷转移机制，推动超导体和半导体的研究，提高太阳能电池的效率。阿秒脉冲仍仅处于实验室阶段。我们能否制造出高通量、高光子能量、高重复频率和稳定的阿秒脉冲，使其可用于医学、半导体或化学领域，还有待观察。后来的科学家有更多的时间和更多的探索。

参考文献：1.M.费雷等人，J.物理。 B: 在。摩尔。选择。 Phys.21 L31 (1988).2.P B.Corkum, Phys Rev Lett, 71: 19941997 (1993)3 . M. Lewenstein 等人，物理学。修订版A49，2117 (1994)4。 C.埃尔南德斯·加西亚博士论文（西班牙萨拉曼卡大学）（2012）。 5.魏志毅，等。阿秒脉冲由此产生的技术原理和进展。科学通报， 66: 889901(2021)6. 科学， 292, 1689, 20017. 自然， 414, 509-513, 2001