阿秒光脉冲
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获诺贝尔物理奖的
“阿秒光脉冲”
究竟是什么？
什么是“阿秒光脉冲”？
阿秒激光是种怎样的激光？
阿秒光脉冲的应用
什么是“阿秒光脉冲”？
光是最重要的物理现象之一，一个闪光过程，可以描述为一个光脉冲。激光刚刚出现，人们就迫不及待地要把脉冲做短，一方面是对超快现象研究的兴趣，另一方面则是对高峰值功率的追求—在平均功率相同的条件下，脉冲越短对应峰值功率越高。
阿秒光脉冲（简称“阿秒脉冲”）是目前人们所能控制的最短时间过程，可用来测量原子内绕核运动电子的动态行为等超快物理现象。它是一束极短促的闪光，提供了一开一关极快的相机“快门”，能够“拍摄”到狂飙中的电子。发明这种基础科学的新工具、新技术的科学家们，将人类带进了阿秒时代。
我们在日常生活中接触到的物理（和化学）现象，除去引力（重力）作用，绝大多数都是基于电磁相互作用。这些现象的终极物理基础都是带电粒子的相互作用及其运动。电子是常见的带电粒子中质量最小的，比质子或原子核要小三个数量级，因此在物理过程中电子的响应速度要比原子分子和晶格结构快得多。但是电子运动的时间尺度是比飞秒还快的阿秒量级。
微观运动的时间尺度
目前，世界上最短的单个阿秒光学脉冲是53阿秒和43阿秒。这是一个非常短的时间单位，到底有多短呢？
阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一。科研人员曾打过一个有趣的比方，1秒中光传播的距离可以绕地球7.5圈，而1阿秒中光只能从水分子的一端传播到另一端。换个角度，如果将1阿秒与1秒相比，相当于将1秒与宇宙的年龄相比。
一秒内的阿秒数与宇宙诞生以来所经过的秒数相同
图：Johan Jarnestad
阿秒脉冲激光的出现被认为是激光科学历史上最重要的里程碑之一，应用前景难以估量，目前已经成为物理、化学、生物等众多领域重要的研究手段。阿秒脉冲激光技术的发展，引发了多个领域科学与技术层面研究的诸多重大突破。鉴于其巨大的潜在应用价值，美国、欧洲、日本等将阿秒激光技术列为未来10年激光科学发展最重要的发展方向之一。
阿秒激光是种怎样的激光？
如果我们了解了激光的分类，就很容易明白阿秒激光有哪些不寻常的特性，在整个“激光家族”中到底处在什么样的位置了。
按波长分类，激光可以分为紫外激光、可见光激光、红外激光等。阿秒激光通常是在紫外至软X射线波段的激光，换句话说，它的波长比一般的激光要短。
不同波长的激光（图源：维基百科）
按输出模式分类，激光可分为连续波激光和脉冲激光。阿秒激光属于脉冲激光，具有极短的脉冲持续时间。至于什么是连续波，什么是脉冲，我们可以用手电筒来进行比喻。长按开关让手电一直发光就是持续波，而不停按下开关让手电筒在亮和暗间交替变化就是脉冲。说白了，阿秒激光并不连续，在亮暗之间连续变化，只是这种变化的频率快得惊人，它的闪烁可以在阿秒量级实现。
按功率分类，可以将激光分为低功率激光、中功率激光和高功率激光。阿秒激光因其极短的脉冲时间而能具有高峰值功率。（功率（P）的含义是单位时间内能量的强度（P=W/t），单个的阿秒激光脉冲可能能量（W）并不是特别大，但由于其持续时间（t）极短，因此峰值功率较高。）
按应用领域分类，可以将激光分为工业激光、医疗激光、科研激光等。阿秒激光主要应用于科学研究，特别是在物理和化学的研究中，用以探究微观世界的快速动态过程。
按激光介质分类，激光可以分为气体激光、固体激光、液体激光和半导体激光。阿秒激光的产生通常依赖于气体激光介质，并利用非线性光学效应产生高次谐波。
总结来说，阿秒激光是一种特殊的短波脉冲激光，它的特点是脉冲持续时间极短，通常在阿秒量级，因而能用于观测和控制原子、分子和固体中电子的超快动态过程。
阿秒光脉冲的应用
阿秒光脉冲装置示意图 （图源：瑞典皇家科学院）
阿秒光脉冲具有极端超快的特性，这是一件非常酷的事情，人们采用阿秒光脉冲结合泵浦——探测技术已经可以探测数十阿秒的超快电子动力学过程，并且能够在原子尺度内实时控制电子的运动。阿秒光脉冲的应用是人类正在开拓的一个全新科学领域，它不仅能帮助科研人员分析原子和分子内电子的运动过程、原子核结构等基础物理学问题，也在为材料科学和生命科学等提供全新的研究手段。
目前，人们应用阿秒光脉冲研究原子和分子中的超快电子动力学，关于原子的物理现象。例如2017年，加拿大的维伦纽夫研究组采用阿秒脉冲串联合红外激光电场实现了对氖原子的阿秒电子波包的成像。
采用阿秒光脉冲串联合红外激光对阿秒电子波包成像的
实验结果(上)和理论结果(下)
人们对凝聚态物理中的许多超快电子过程也有极大兴趣，这些过程包括表面电子屏蔽效应、热电子、电子空穴动力学等。采用阿秒光脉冲实时检测和控制这些凝聚态中的超快电子过程将有助于改进基于电子的信息技术。目前，阿秒光脉冲在凝聚态物质方面主要是研究表面电子瞬态结构。此外，阿秒光脉冲结合瞬态吸收谱技术已经从较早的原子分子体系拓展到了凝聚态体系的研究，结合阿秒光脉冲的超快时间分辨和超宽的光谱范围，有可能为凝聚态物质这种复杂体系的电子动力学研究发展新的技术手段，开拓新的方向。阿秒光脉冲的高能X射线与凝聚态物质中紧密束缚的电子相互作用还可以探测特定原子中电子的空间位置以及瞬间的运动状态，这为研究具有化学元素特异性材料中电子的快速过程提供另类方法。这种能力对于像今天使用的手机和计算机的下一代逻辑和存储芯片这样的发展来说是非常宝贵的。
阿秒光脉冲应用从凝聚态还可以延伸到有机分子和生物分子等更加复杂的体系。阿秒光脉冲可用于对活体生物样本进行X射线显微，探测生命科学中的量子过程，为复杂的生物分子的建模、理解和控制奠定基础。例如，用阿秒光脉冲对活细胞中生物分子的电子和原子制作慢动作视频，观测光电转换过程中亚原子尺度的电子动力学过程，分析叶绿体进行光合作用效率能达到40%以上的原因，进而改进光电转换材料的性能，让光电转换效率在10%徘徊的太阳能电池板能够更高效的利用太阳能，为实现绿色环保的地球贡献力量。
总之，由于具有极短的时间分辨，以及可以覆盖包括水窗在内的重要光谱区段，阿秒光脉冲已经成为研究亚原子尺度的物理规律最有力的工具，并且在控制化学合成、从亚原子尺度研究生命现象等方面有着重要的应用前景。
来自Bing
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编辑 | 郑倩
审核 | Dawn
图片及文本来源
科普中国、中国光学、现代物理知识杂志等
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