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瑞典皇家科學院決定將2023年諾貝爾物理學獎授予:
皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），美國俄亥俄州州立大學；
費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz），德國馬克斯·普朗克量子光學研究所，德國慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學；
安妮·勒伊耶（Anne L』Huillier），瑞典隆德大學。
2023年諾貝爾物理學獎的3位獲得者，因他們的實驗工作而獲此殊榮，他們的工作為人類探索原子和分子內部電子世界提供了新工具。皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費倫茨·克勞斯和安妮·勒伊耶展示了一種創建極短光脈衝的方法，這些脈衝可以用於測量電子運動或能量變化的快速過程。
圖源： Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
通過控制光與物質的相互作用，他們的開創性工作打開了研究自然界中最快過程的大門。這為理解生命的化學基礎和開發新技術奠定了基礎。
阿秒是什麼？
阿秒(attosecond)和秒、分鐘、小時一樣，是一種時間單位，1阿秒等於10-18秒。1阿秒特別特別短，目前認為宇宙的年齡大約是137億年，從宇宙誕生到現在度過的秒，跟一秒里度過的阿秒數量相當。
或者換一個角度看，世界上跑得最快的物質是光，一秒就能跑30萬公里，相當於繞地球七八圈；可是在一阿秒內，光連一納米都跑不到，還不夠繞原子跑一圈！
那麼，為什麼物理學家要研究阿秒這麼短的時間呢？原因在於，物理學家想要知道物質內部的電子是怎樣運動的。
我們可以從攝影的角度去理解。對於運動速度很快的物體，比如說射入木板的子彈、每秒能振翅80下的蜂鳥，如果我們用快門速度很慢的相機去拍攝，只能拍出模糊的拖影；只有快門速度足夠快，比如說在1/1000秒，才能捕捉到物體運動的瞬間。
而對於物質內部的電子，它們運動的速度實在是太快了，已經快要接近光速的量級，運動的時間單位常常就是以阿秒為量級的，比如氫原子中電子繞核一周的時間大約是152阿秒。想要研究電子，我們需要一種特殊的「照相機」，它的「快門速度」要達到幾個阿秒這麼快。
這一屆的諾貝爾物理學獎得主，就是找到了一種持續時間可以短到只有幾十阿秒的光脈衝，作為拍攝電子運動的「快門」，讓我們能夠更深入了解微觀世界的奧秘。
Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
高「泛音」幫助下製造更短的脈衝
在阿秒雷射誕生之前，科學家就一直在為製造更短的光脈衝而努力著。但是他們遇到了一個困難，那就是很難把光脈衝的長度縮減到比一個光周期的時長更短。
光是一種電場與磁場變化產生的波，而一個光周期就是它完成一次波動所需要的時間。比如說，紅光的波長約為700納米，它以每秒約43萬億次的周期波動。在這種情況下，如果用傳統的方法製造超短光脈衝，那麼每一份光脈衝的時長無論如何都沒法壓縮到1飛秒（1000阿秒）以下——這樣一來，它就無法用來觀測運動極快的電子了。在上世紀80年代，科學家曾認為這種最短光脈衝的限制非常難以突破。
而突破限制構建阿秒脈衝的關鍵則在於，要使用波長很短的光，並把很多不同波長的光結合到一起。要想產生這些適宜的光，需要利用雷射穿過氣體時產生的一種現象，它名叫「氣體高次諧波」。這裡的諧波就像是撥動吉他琴弦時產生的泛音。
Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
1987 年，研究者安妮·勒伊耶（Anne L』Huillier）和同事讓紅外雷射穿過惰性氣體，成功製造出了這種雷射「泛音」。與之前的實驗相比，紅外雷射產生了更多、更強的「泛音」，這一研究結果為製造阿秒雷射的後續研究奠定了基礎。
逃逸電子產生泛音
當雷射進入氣體並影響其原子時，它會引起電磁振蕩。這種振蕩會扭曲將電子束縛在原子核周圍的電場，讓電子有機可趁逃逸出原子。然而，光的電場持續振蕩，當它改變方向時，一個逃逸的電子可能會迅速返回到它原子核。在電子逃逸期間，它從雷射的電場中收集了大量額外能量，為了重新附著到原子核上，它必須以光脈衝的形式釋放多餘能量。這些來自電子的光脈衝，就是實驗中出現的「泛音」。
Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
光的能量與其波長相關。發出的「泛音」中的能量相當於紫外線，波長較人眼可見光短。因為能量來自雷射的振蕩，「泛音」的振蕩將與原始雷射脈衝的波長成正比。光與許多不同原子相互作用的結果，便是產生不同的光波，它們具有一組特定的波長。
一旦出現這些「泛音」，它們就會互相作用。當光波峰值重合時，光變得更強，但當一個周期的峰值與另一個的波谷重合時，光變得更弱。在恰當的情況下，「泛音」重合以致出現一系列的光脈衝，每個光脈衝只持續幾百阿秒。物理學家在上世紀90年代就理解了這個理論，但直到2001年，對光脈衝的識別和測試才獲得突破。
Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和他在法國的研究小組成功產生並研究了一系列連續的光脈衝，就像一列帶有多節車廂的火車。他們使用了一種特殊技巧，將「脈衝列車」與原始雷射脈衝的延遲部分組合在一起，以了解泛音之間的相位關係。這個過程也讓他們能測量脈衝列車中每個光脈衝的持續時間，他們看到每個光脈衝只持續250阿秒。
與此同時，費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和他在奧地利的研究小組致力於一種技術，可以選擇單個光脈衝——就像將一節車廂從火車上分離並切換到另一條軌道。他們成功分離出來的光脈衝持續650阿秒，該小組利用它來跟蹤和研究電子被拉離原子的過程。
這些實驗證明了阿秒光脈衝可以被觀測和測量，並且也可以用於新的實驗。
現在，阿秒世界已經觸手可及，這些短暫的光脈衝可以用來研究電子的運動。現在有可能產生持續時間只有幾十阿秒的光脈衝，而且這項技術還在不斷發展。
研究電子運動，能拿來幹嘛？
阿秒光脈衝技術使我們能夠精確地測量電子從原子中被拉出的時間，並研究這個時間與電子和原子核緊密關係之間的關聯。簡單來說，我們現在可以看到電子在分子內部如何移動，而以前我們只能大致估計它們的平均位置。
阿秒光脈衝不僅可以幫助我們深入了解物質的內部工作原理，還可以幫助我們識別和研究各種物理事件。科學家已經使用這種技術深入探索了原子和分子的奧秘，而且這種技術在許多領域，從電子技術到醫學，都有巨大的應用潛力。
舉個例子，我們可以使用阿秒光脈衝來「推動」分子，這些分子會發出特定的信號。這個信號就像分子的指紋，告訴我們這是什麼分子。這種技術的一個潛在應用就是在醫學領域進行診斷。
譯者：中子星、窗敲雨、Steed、biu
編輯：Steed
封面圖來源： Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
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