为什么阿秒激光可以获得诺贝尔奖？

如果你想了解和测量你周围的世界，最有效的方法就是对正在发生的事情进行成像或拍摄快照。在 19 世纪，摄影意味着在积累大量光线的同时保持拍摄对象完全静止。在更现代的时代，我们可以进行高速摄影，使用更短的光“脉冲”来对物体自然发生的个别短暂瞬间进行成像，包括运动中的物体。对于宏观物体，我们可以用可见光做到这一点，但在微观尺度上，我们需要使用一种特殊的高速激光脉冲，在微观尺度上对各种波长进行成像。

因为单个原子和分子非常小，只有一埃（或 ~10^-10 米）的直径，这意味着它们内部发生变化的时间 （由电子驱动）通常只有短短的几阿秒，而一阿秒仅为 10^-18 秒。我们能如此快速地进行成像吗？如果我们能产生足够短的激光脉冲，我们就能做到，这正是2023 年诺贝尔物理学奖的获奖理由，该奖项授予了 Pierre Agostini、Ferenc Krausz 和 Anne L'Huillier。以下是这一惊人进步背后的科学原理。

通过向半透明/半反射薄介质发射光脉冲，研究人员可以测量这些光子穿过屏障到达另一侧所需的时间。尽管隧穿步骤本身可能是瞬时的，但行进粒子仍然受到光速的限制。

当你亲眼目睹世界展开时，你的大脑会将你看到的图像解读为现实是连续不断的，一切都从一个时刻顺利地转移到下一个时刻。然而，在量子层面上，我们知道事实并非如此。在你的身体内部实际发生的事情是：

· 单个光量子到达视网膜的视杆细胞和视锥细胞，

· 刺激内部的光感受器分子，

· 激发电子到更高的能级，

· 然后这些电子就不再激发，

· 在你体内的细胞中产生电脉冲，

· 触发神经反应并向大脑发送信号，

· 然后在你的大脑视觉皮层中生成图像，

· 你的大脑会根据它生成的最后一个“图像”来解释它，

· 而新到达视网膜上的光量子又开始整个循环。

令人惊讶的是，人类的大脑和身体每秒可以执行数十次甚至数百次此任务，让您将宏观世界解读为不断运动和变化的图像。

这幅合成图由来自汞蒸气灯的三组不同谱线组成，显示了磁场可能产生的影响。在 (A) 中，没有磁场。在 (B) 和 (C) 中，有磁场，但它们的方向不同，这解释了谱线的差异分裂。许多原子在没有外加外场的情况下表现出这种精细结构甚至超精细结构，而这些转变对于构建功能性原子钟至关重要。许多转变，例如这里显示的转变，都是离散的，而不是连续的过程。

但实际上，世界上发生的许多事情都不是连续的过程，而是一次性从一种状态“跳跃”到另一种状态，这是一系列离散的而非连续的过程。我们越深入微观世界，观察在越来越短的距离尺度上发生的过程，我们就越需要更快地探测或拍摄自然，以检测这些离散的转变。距离与脉冲速度的对应关系的例子包括：

· 微秒（~10^-6 秒）脉冲，可以让你想象几百米范围内的变化，

· 纳秒（~10^-9 秒）脉冲，可以让你对几十分之一米范围内的变化进行成像，

· 皮秒（~10^-12 秒）脉冲，可以让你对几百微米（草履虫的尺度）尺度的变化进行成像，

· 飞秒（~10^-15 秒）脉冲，可以让你对几百纳米（大分子尺度）尺度的变化进行成像，

· 以及阿秒（~10^-18 s）脉冲，可将您带到埃级尺度，让您能够查看单个原子尺度上的变化。

这些对应关系适用于以光速或宇宙极限速度发生的跃迁。如果你能以足够快的速度“脉冲”光，理论上你就能检测到由单个量子粒子跃迁控制的变化。

通过“泵送”电子进入激发态并用所需波长的光子刺激它们，可以发射另一个具有完全相同能量和波长的光子。这一动作就是激光的首次产生方式。根据各种特性，该光可以用于许多不同的目的。

你能产生的最短“脉冲”将只编码光波的一个波长，即该光的一个周期的长度。例如，人眼可见的光的波长范围在 400 纳米（紫光）到 700 纳米（红光）之间，其中该光的一个波长需要 1.3 到 2.3 飞秒才能从波峰到波谷再到波峰。这个速度很快，但还不足以拍摄物理学家真正想要拍摄的深入探索原子尺度的图像。

但有一种技术可以让你利用相对正常波长的光，创造出既有规律地间隔开来的脉冲，而且这些脉冲的脉冲形状和持续时间可以比原始波长的持续时间更长或更短，那就是利用叠加的量子特性。

如果你采用多种不同波长的不同波，你可以将它们叠加在一起，以创建持续时间长或短的脉冲，这些脉冲在特定的可控频率上“达到峰值”。这种脉冲可以实现多种科学研究，从声波的“拍频”到用于探测物质基本量子特性的超快激光。

当两束频率相近的波叠加在一起时，它们会相互干扰，既产生相长干扰，也产生相消干扰，从而产生与任一单独波的频率不同的“节拍”。叠加原理既适用于光，也适用于声音。

就脉冲速度而言，达到阿秒级的关键是将大量短波长的光或许多“模式”的波组合在一起。早在 20 世纪 80 年代，许多人认为“飞秒”是光能达到的最快速度，因为这是使用仅产生单一频率光的标准激光可以产生的最短脉冲。但其他人正在积极研究这种替代可能性，首先从产生可控制的额外（更高）频率光的角度，然后从将这些新产生的光波组合在一起以产生比以往更快的脉冲的角度。

尽管诺贝尔委员会宣布 2023 年诺贝尔物理学奖将颁给皮埃尔·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、费伦茨·克劳斯 (Ferenc Krausz) 和安妮·卢利尔 (Anne L'Huillier)，但事实是，安妮·卢利尔 (Anne L'Huillier) 是阿秒光谱学历史上第一位获奖者，值得一提的是，她是继玛丽·居里、玛丽亚·格佩特-梅耶、唐娜·斯特里克兰和安德里亚·盖兹之后第五位获得诺贝尔物理学奖的女性，因为她的工作为阿秒速度脉冲的产生奠定了基础。关于她如何做到这一点，最好也是最简单的比喻就是想象吉他弦上的“泛音”。

虽然吉他弦具有振动的基频，从而产生右侧的“音调”图示，但您也可以“固定”弦上的节点，使其以更高的频率振动：泛音。前三个泛音分别说明将节点固定在原始弦长的一半、三分之一和四分之一处。

如果你想在吉他上弹奏一个音符，你只需拨动琴弦，琴弦就会在琴弦的两个“节点”或琴弦固定在指板上的“两端”之间来回振动。这会产生特定波长的波（你可以在标有“音调”的图中看到全波长的“一半”），根据琴弦的厚度和张力，会产生你可以听到的特定频率的声音。

但是，如果你用手指在琴弦的其他地方创建另一个“节点”，除了前两个对应于琴弦“末端”的节点外，你还可以创建所谓的“泛音”，即琴弦只能在某些波长下振动，这些波长是主音波长的一小部分。例如，如果你拨动一根开放的吉他弦，然后将手指松散地放在上面：

· 无需烦恼，你就能得到基本的音调，以及波长为琴弦长度两倍的波。

· 在第 12 品，你会得到第一个泛音，以及一个波长等于琴弦长度的波。

· 在第 7 品，你会得到第二个泛音，以及波长为琴弦长度 ⅔ 的波。

· 在第 5 品，你会得到第 3 个泛音，以及波长为琴弦长度的一半的波。

这就是声波的音调和泛音的工作原理。但实际上，你可以用激光为光波创造泛音，而 Anne L'Huillier 正是搞清楚如何实现这一点的人。

瑞典皇家科学院将 2023 年诺贝尔物理学奖授予 Pierre Agostini、Ferenc Krausz 和 Anne L'Huillier（从左到右），以表彰他们“在研究物质中的电子动力学时产生阿秒光脉冲的实验方法”。

她和她的团队迈出的第一大步是使用红外激光，并将其发出的光传输到稀有惰性气体中。它不仅在光中产生泛音，而且还产生了数量级极高的泛音，不是达到 2 或 3种，而是达到数十种。虽然之前类似的实验已经通过将激光穿过惰性气体证明了泛音的存在，但使用红外激光会产生更强的泛音信号（即波幅更大）和更高的泛音频率（即波长更短），这比之前使用较短波长激光进行的实验要好。

这违反直觉！我们大多数人都认为，如果你想产生短波长的光，你会从短波长的激光信号开始，并试图从中诱导出泛音。但L'Huillier 在 20 世纪 80 年代末发现较长波长的红外光实际上通过这种机制产生了更强、波长更短的泛音。这就像最粗的吉他弦，也就是产生最低音符的弦，实际上会产生最高音调的泛音！

当低频、长波长的激光与原子相互作用时，电场和磁场可以暂时将电子从原子中分离出来。当电子与原子重新结合时，它必须释放多余的能量，这会导致它发出更高频率、更短波长的光，这是原始激光频率/波长的泛音。该图显示了电子的行为。

上图显示了

这一现象发生的物理原理。我们必须记住，光是一种电磁波，具有同相振荡的电场和磁场，作用方向垂直于波的传播方向。当光穿过由原子组成的气体时，原子周围的电子会对通过的光波产生的电磁场作出反应，在适当的情况下，其中一些电子甚至可以逃离束缚它们的原子，形成一个短暂电离的原子和一个自由电子。

然而，光波产生的电场是振荡的，当它改变方向时，它会导致自由电子冲回刚刚脱离束缚的原子核，从而使其以光脉冲（或一系列脉冲）的形式释放能量。就像电子沿氢原子的能级向下运动可以产生高能光和低能光一样，从“自由”回到“束缚”的电子产生的光波长仅为穿过惰性气体的激光波长的一小部分。当电子下降到最低能级时，它通常会产生紫外光子，这是一种波长比最初刺激原子的红外光短得多的光子。

当激光照射到气体中时，电子的行为会导致许多“泛音”光的发射。当这些光与来自刺激激光的原始延迟光重新结合时，就可以用这种组合光束进行非常快速的实验。

这就是 2023 年另外两位诺贝尔物理学奖得主的工作成果。通过利用这种技术产生的紫外光子，并通过调整激光频率，使光的原始频率的特定泛音受到电子跃迁的刺激，这些泛音通过叠加在一起的方式可以产生只有数百阿秒长的紫外脉冲。阿戈斯蒂尼和克劳斯，或者更准确地说，他们各自的法国和奥地利团队，其实早在 2001 年就首次发现并测试了这些脉冲。

阿戈斯蒂尼的团队将这种叠加的泛音（一些人称之为“脉冲序列”）与原始激光脉冲的光相结合，使他们能够测量这些泛音之间的相位。他们当时创下了有史以来最短脉冲的记录，每个脉冲只有 250 阿秒长。

与此同时，克劳斯的研究小组发明了一种技术，使他们能够从“脉冲序列”中分离出单个脉冲并测量其持续时间。它比阿戈斯蒂尼的研究小组的持续时间长 650 阿秒，但仍突破了飞秒障碍，更重要的是，克劳斯的研究小组可以跟踪和研究电子被拉离原子然后又分流回原子的过程。

通过应用阿秒光谱技术，发现液态水电子的光发射与气态（水蒸气）光发射相比，时间延迟了 50-70 阿秒。这项研究得益于 2023 年诺贝尔物理学奖获得者 Pierre Agostini、Ferenc Krausz 和 Anne L'Huillier 的开创性工作。

这三个人及其研究小组（Anne L'Huillier、Pierre Agostini 和 Ferenc Krausz）的基础研究

不仅证明了阿秒脉冲可以被观察和测量，而且可以控制，这使得它们可用于进行实验。通过产生这些短光脉冲并将其发射到原子和分子上，可以比以往更精确地研究单个电子的运动。目前，可以产生长度小于 100 阿秒的脉冲，许多人预计，在未来几十年内，将脉冲长度降低到个位数阿秒的目标将触手可及。

令人难以置信的是，从电子技术到材料科学到医学诊断等，为现代生活提供动力的物理过程都归结为单个原子或分子内的电子在做什么，以及它们如何从一种状态转变为另一种状态。

诺贝尔物理学奖我最喜欢的部分之一是它展示了物理学领域到底是多么的多样化和多变。虽然我预计该奖项要么颁给量子计算、天文学中的系外行星、光子学的进步，要么颁给凝聚态物理学的某些方面，但现实情况是，各种各样的子领域都在不断取得进步，而不仅仅是最引人注目和最著名的子领域。让我们欣赏这些超快物理学和阿秒光谱学的进步，以及它们使我们能做什么，并向 2023 年诺贝尔物理学奖获得者 Anne L'Huillier、Pierre Agostini 和 Ferenc Krausz 的开创性工作致敬！