阿秒激光给电子运动按下“超级快门”

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023年诺贝尔物理学奖授予了皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·吕利耶， 以表彰他们的实验方法产生了阿秒光脉冲，用于研究物质中的电子动力学。

阿秒是原子中的电子运动时间尺度

人们常用量子力学计算物理量的平均值，但是量子力学也描述了微观粒子的运动，最基本的薛定谔方程就是对动力学的描述。以前由于实验手段的限制，不能直接测量电子在原子中的运动过程。一个关键因素是，如果运动非常快、空间尺度非常小，那么探测手段也要非常快、非常小。

可以用拍照来类比。拍摄照片时，虽然光一直照射着，但是打开快门的时间很短，进入相机的其实是一个光脉冲。一般来说，即使被拍的人或物在运动，在快门打开的短时间内，是几乎不动的，因此可以拍出清晰的照片。但是，如果被拍的人或物运动过快，打开快门的时间相对过长，光脉冲时间过长，那么这段时间内，人或物的状态改变了，导致反射光也改变了，不同的光叠加在一起，导致照片模糊。对于高速运动的人或物，快门也要高速，这就是高速相机。

电子运动很快，与一个光脉冲耦合时，它们耦合效果是脉冲时间内的总效果。如果光脉冲足够短，在这段短时间内，电子相对来说几乎没动，那么耦合效果就体现在电子这时的状况。当然，这里的光是相干光，即步调一致的光，也就是激光。

测量快速运动的电子，需要足够短的光脉冲，与电子运动时间尺度相当。分子中的电子运动时间尺度是飞秒（10^-15秒，即1飞秒只有1秒的一千万亿分之一），需要用飞秒激光脉冲去研究。而原子中的电子运动的时间尺度是阿秒（10^-18秒），需要用阿秒激光脉冲去研究。

阿秒激光脉冲的产生

飞秒激光是通过锁模和光脉冲时间测量等技术获得的，理论基础来自非线性光学。飞秒激光用于研究分子中的原子运动，特别是化学反应过程。但是因为光的单个周期的时间尺度是1飞秒，所以传统激光不可能有更短的脉冲。事实上，以前的最短脉冲是6飞秒，远大于阿秒，因此更短的激光脉冲需要全新的方法来产生。

阿秒激光脉冲的产生是基于波的叠加或傅里叶合成，即任何波形都可以由各种周期的波叠加而成。当光通过原子时，二者的相互作用会引起倍频光，频率是入射光频率的各种整数倍，类似音乐中的倍音。这些倍频光可以叠加成短脉冲。

阿秒脉冲的应用

阿秒脉冲有几十或几百阿秒长，光子能量达到几百电子伏特，可以用于观测和测量电子的运动，比如将电子从原子中剥离所需的时间，或者电子分布在分子或材料中，也可以探测物质的内部过程。

最近，阿秒光谱拓展到分子、液体和固体，研究电子动力学对化学环境的依赖关系，比如水或水汽中的电子光致发射的时间延迟。在阿秒时间尺度上，电子之外的其他动力学都是凝固不动的。在一个实验中，极端紫外阿秒脉冲列与红外飞秒脉冲叠加，与液相或气相的水作用，从液相出来的光电子比气相延迟50到70阿秒。

对于固体来说，阿秒光谱有望给出很多相互作用的信息，比如，电荷转移和屏蔽、电荷产生、电子间的散射等。用阿秒激光研究生物流体的分子组成，将来可能用于疾病诊断，优点是可以同时检查很多分子，而且这里的辐射是无害的。

阿秒激光从原子物理的多光子过程发展起来，扩展到原子和分子物理、物理化学、凝聚态物理、发光学，乃至生物学等多学科的前沿领域，有望扩展到电子学和医学，从而有助于医学诊断。

（作者系中国科学技术大学教授、全国量子力学研究会副理事长）