2023 年诺贝尔物理学奖“阿秒光脉冲”是什么？

2023/12/13

2023年诺贝尔物理学奖“阿秒光脉冲”

是什么？

--研究材料中电子动力学的方法--

用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

什么是阿秒光脉冲？

阿秒光脉冲是一种持续时间极短的阿秒光信号（1 阿秒 = 10 的负 18 秒次方 = 1/100 五分之一秒）。材料中的电子控制着材料的结构、功能和反应，已知电子会以超高速围绕组成原子运动，但其运动的时域极短，为阿秒级，目前还没有办法直接观察到它们。使这成为可能的是阿秒光脉冲。相机的闪光灯会暂时照亮物体，从而可以拍摄快速移动的物体，就像它们静止一样。这次诺贝尔物理学奖的成果可以说在阿秒时域实现了闪光。作为观察超快电子现象的有力工具，它被认为在加深我们对材料的结构、功能和反应的理解方面发挥着重要作用。

2023年，诺贝尔化学奖和诺贝尔物理学奖均颁发给与光相关的研究。获得诺贝尔化学奖的“量子点的发现与合成”，是对光特性随尺寸而变化的纳米粒子进行研究，并应用于电视显示器和LED照明等发光材料、医疗领域和量子计算机。另一方面，诺贝尔物理学奖的颁发是为了表彰他在创建“产生阿秒脉冲光的实验方法”方面取得的成就，该方法对加深我们对控制物质结构、功能和反应的电子超快运动的理解产生了重大影响。该奖项的三位获奖者分别是Pierre Agostini（美国俄亥俄州立大学名誉教授）、Ferenc Kraus（德国路德维希马克西米利安大学教授、马克斯·普朗克量子光学研究所所长）和Anne Lhuillier（瑞典隆德大学教授）。
自 20 世纪 80 年代以来，日本阿秒光学科学领域的研究一直在取得进展。我们向从事相控激光脉冲材料控制和测量方法研究的电子光学基础技术研究部先进激光加工组首席研究员、光物理学研究员大村秀树询问了获奖理由以及对社会的影响。

什么是阿秒光脉冲

　近年来，似乎很多诺贝尔奖都颁发给了应用了技术并证实了社会连锁效应的奖项。尽管阿秒光脉冲尚未产生任何显着的社会连锁反应，但可以说，它们因使得观察阿秒区域电子的运动成为可能而受到赞誉，而这在以前是不可能观察到的。

　1 阿托秒是 1/100 500 亿秒的极短时间。阿秒光脉冲是一种持续时间极短的阿秒光信号。阿秒光脉冲使得观察电子和其他速度太快而无法追踪的物体的运动成为可能。由于脉冲宽度（光脉冲的持续时间）极短，因此可以通过将材料停止阿秒来观察电子在材料中的运动。这是“阿秒科学”的基础，“阿秒科学”使用阿秒激光脉冲来研究超快电子现象并操纵电子运动。

获得诺贝尔奖之路

　2018年，我们的“产生高强度超短光脉冲的方法”获得诺贝尔物理学奖。此时光脉冲的长度为飞秒（1飞秒=10的负15次方=1/1000万亿分之一秒）。这也是一种持续时间非常短的光脉冲，因此应用于热影响很小的激光加工技术和医疗设备，甚至可以观察到原子的运动。然而，为了观察更小、更快的电子的运动，需要更短的阿秒长度的光脉冲。

　1988年，Lhuillier先生发现了高次谐波产生现象，即当惰性气体之一的氙气受到高功率激光脉冲照射时，通过波长转换产生波长较短的光。根据以往的理论，随着波长变短，高次谐波的产生效率应该急剧下降，但实际上，存在即使光脉冲的波长变短高次谐波的产生效率也几乎不下降的波长范围，这种现象无法用现有的理论来解释。

　随后几位理论物理学家解开了这个谜团，并指出高次谐波产生现象是与激光电场同步的阿秒区域内电子运动产生的阿秒光脉冲。该机制由三个步骤组成，如图所示。当第一次受到高功率激光脉冲照射时，由于隧道电离，电子会在阿秒内离开原子（图 1）。然后，电子通过激光电场向离子加速（图 2），获得动能，并与离子重新结合，生成阿秒光脉冲（图 3）。

　指出高次谐波是阿秒光脉冲，但由于高次谐波的产生效率较低，阿秒光脉冲的实验评估极其困难。此后，高次谐波的产生效率迅速提高，并建立了阿秒光脉冲的实验评估方法。 2001年，Agostini先生成功地进行了生成和评估阿秒脉冲序列的实验。虽然它是连续脉冲串，但我们成功地生成并测量了 250 阿秒的极短阿秒光脉冲的脉冲宽度。同年，克劳斯成功产生并测量了650阿秒的单个阿秒光脉冲的脉冲宽度。他们开发了一种产生单脉冲光的技术，类似于相机闪光灯。虽然脉冲宽度为650阿秒，比不上Agostini先生的成就，但单脉冲产生和脉冲宽度测量却极大地打开了阿秒科学的大门。

阿秒光脉冲对社会和未来前景的影响

　电子的运动是阿秒区域的一种典型物理现象，迄今为止还没有办法看到。材料的功能和化学反应都是由电子的交换决定的，因此通过利用阿秒光脉冲可视化电子的运动，我们或许能够了解材料以前未知的功能和化学反应。观察后预计的下一件事是电子的控制。如果能够控制电子，就有可能控制复杂的化学反应和控制操作，以提高下一代超快电子设备的性能。

　尽管期望很高，但阿秒光脉冲应用技术的发展仍处于基础研究阶段。研发方向正在向各个领域拓展。毫无疑问，这项技术能够为实现低碳社会和健康长寿社会做出贡献。

　然而，仍然没有足够的设施可以确保产生阿秒光脉冲的激光光源，我相信这可能是参与阿秒科学的研究人员数量没有增加的原因之一。未来，为了建立技术并加速研究走向实际应用，人力资源开发将变得极其重要。

　我们相信，如果产生阿秒光脉冲的激光器不仅在大学和公共研究机构而且在工业界得到更广泛的使用，我们将更快地看到对社会的连锁反应。