2023年诺贝尔物理奖官方解读：脉冲光中的电子

  今年的诺贝尔奖获奖者们利用实验产生了足够短的闪光，可以拍摄超高速运动电子的快照。安妮•吕利耶（Anne LHuillier）发现了激光与气体中原子相互作用产生的新效应。皮埃尔•阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和费伦茨•克劳兹（Ferenc Krausz）证明，这种效应可拿来产生比以前更短的光脉冲。

  一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀 80 次。对于这一现象我们只可以感受到呼呼的声音和模糊的动作。对于人类的感官来说，快速运动是模糊的，肉眼无法观测到极其短暂的事件。我们应该利用技术方法来捕捉或描绘这些非常短暂的瞬间。

  高速摄影和频闪灯使我们也可以捕捉瞬时现象的细节图像。拍摄一张蜂鸟飞行过程的高清照片所需的曝光时间要比蜂鸟单次振翅的时间短得多。事件发生的速度越快，照片拍摄的速度就要越快，这样才可以捕捉到瞬间的画面。

  同样的原理适用于所有用于测量或描绘快速过程的方法；任何测量方法所需的时间都必须比所研究的系统发生明显变化所用的时间更短，否则结果就会模糊不清。今年的获奖者利用实验验证了一种产生超短脉冲光的方法，利用这种超短脉冲可以捕捉到原子和分子内部演变的图像。

  原子的自然时间尺度短得令人难以置信。在分子中，原子的移动和转动以千万亿分之一秒（飞秒）为单位。这些运动可以用激光产生的最短脉冲进行研究——但当整个原子运动时，其时间尺度是由原子内部又大又重的原子核决定的，与光和轻巧灵活的电子相比，原子核的运动极其缓慢。当电子在原子或分子内运动时，它们的速度很快，以至于飞秒级的时间内就会看不清它们的运动。在电子的世界里，位置和能量的变化速率介于一到几百阿秒之间，而一阿秒是一百亿亿分之一秒。

  阿秒实在太短了，以至于一秒中的阿秒数量与宇宙诞生以来（138 亿年）经历的秒数相同。为了对阿秒的时间尺度有一个更直观的理解，我们大家可以想象一道闪光从房间的一端射向对面的墙壁，这需要 100 亿阿秒。

  飞秒长期以来被认为是能够产生闪光的时间极限。要想看到电子在超短时间尺度上发生的过程，仅改进现存技术是不够的，还需要开发全新的技术。今年的获奖者们的实验开辟了阿秒物理学这一新的研究领域。

  原子和分子中电子的运动速度很快，要用阿秒来测量。阿秒相对于秒就如秒相对于宇宙年龄。

  光是电场和磁场振动形成的电磁波，光在真空中移动的速度比任何东西都快。光具有不一样的波长，对应着不同的颜色。例如，红光的波长约为 700 纳米，相当于头发丝的百分之一，它意味着电磁场大约每秒完成四百三十万亿次周期振荡。我们大家可以把最短的光脉冲看作是光波中一个周期的长度，即上升到波峰、下降到波谷、再回到起点的完整循环的长度。在这种情况下，普通激光系统中使用的光波长永远无法低于飞秒，因此在 20 世纪 80 年代，这被视为短波激光脉冲的硬性限制。

  描述波的数学表明，若使用足够多不同波长和振幅（波峰和波谷之间的距离）的波，就可以构建任何波形。阿秒脉冲的诀窍在于，能够最终靠组合更多和更短的波长来产生更短的脉冲。

  在原子尺度观察电子的运动需要足够短的光脉冲，这在某种程度上预示着需要结合许多不同波长的短波。

  要产生新的更短波长，需要的不单单是激光；实现目前已有的最短光脉冲的关键是利用激光穿过气体时产生的一种现象。光与原子相互作用并产生高次谐波——在原始波的一个周期中完成多个完整周期的波。我们大家可以将其与声学中赋予声音特定特征的泛音作比较，这种泛音使我们也可以分辨吉他和钢琴上演奏的相同音符之间的差异。

  1987 年，法国实验物理学家安妮•吕利耶和她的同事使用穿过惰性气体的红外激光束产生并证实了高次谐波。与之前实验中使用的波长较短的激光相比，红外光产生更多、更强的高次谐波。在这个实验中，观察到许多光强度差不多的高次谐波。

  在 20 世纪 90 年代，安妮•吕利耶在一系列论文中继续探索这种效应，这中间还包括在她的新基地隆德大学的研究。她的研究结果有助于从理论上理解这一现象，并为下一次实验突破奠定了基础。

  当激光进入气体并影响其中的原子时，它会引起电磁振动，使原子核周围束缚着电子的电场扭曲。然后电子可以从原子中逸出。然而，光的电场不断振动，当它改变方向时，逸出的电子可能会冲回其原子核。在电子的偏移过程中，它从激光的电场中收集了大量额外的能量，为了重新附着到原子核上，它必须以光脉冲的形式释放多余的能量。这些来自电子的光脉冲产生了实验中出现的高次谐波。

  实验上造出了激光的高次谐波，这促进对它产生机理的研究。那么它到底是怎么样产生的？

  光的能量与波长有关。高次谐波的能量相当于紫外线，其波长比人眼可见的光短。因为能量来自激光场的振动，这个高次谐波的波长会恰好与原始泵浦激光脉冲的波长成正比。泵浦光与许多不同的原子相互作用后，产生了一系列不同的具有特定波长的高次谐波。

  一旦产生了这些高次谐波，它们就会互相作用。当这些波的波峰重合时，光会变得更强，而当波峰与另一个周期的波谷重合时，光会变弱。在适当的情况下，高次谐波互相重合，产生了一系列紫外光脉冲，每个脉冲持续几百阿秒。物理学家早在20世纪90年代就理解了这背后的理论，但直到2001年才在实验产生和测试这些脉冲上取得了突破。

  法国的皮埃尔•阿戈斯蒂尼和他的研究小组成功地制造并研究了一系列连续的光脉冲，这些光脉冲序列就像一列有许多节车厢的火车。他们使用了一种特殊的技巧，将 脉冲列车中靠后的脉冲与原始激光脉冲的延迟部分叠放在一起，以观察高次谐波的相位如何匹配。这一过程也为他们提供了测量 脉冲列车 中脉冲维持的时间的方法。他们看到每个脉冲仅持续 250 阿秒。

  与此同时，奥地利的费伦茨•克劳兹和他的研究小组在研究一种可以再一次进行选择单个脉冲的技术——就像一节车厢从一列火车上脱钩并切换到另一条轨道上一样。他们成功分离出的脉冲持续了 650 阿秒，研究小组用它来跟踪和研究电子被拉离原子的过程。

  现在，阿秒世界的大门已经向人们敞开，这些短脉冲光可以被用来研究电子的运动。目前的技术能产生短至几十阿秒的脉冲，而且这种技术还在不断发展。

  通过阿秒脉冲，我们大家可以测量电子从原子中激发出来所需的时间，并通过一系列分析这一段时间来得到电子与原子核结合的紧密程度。我们大家可以看到电子如何从原子核的一边振动到另一边或从一个位置振动到另一个位置，而以前我们只可以测量电子在原子核中的平均位置。

  阿秒脉冲可用来观测并分辨物质内部不同的过程。这些脉冲已被用于探索原子和分子内部的详细物理过程，在电子学和医学等领域都有潜在应用。

  例如，阿秒脉冲可用于推动分子，从而发出信号，分子发出的这些信号有一种特殊的结构。这些结构好像指纹一样，可以让我们分辨发出信号的分子种类。这种技术在医疗诊断等方面有潜在的应用。