诺贝尔物理学奖解读｜有了“阿秒”，人们才得以顺利看见了“光”

　　10月3日，2023年诺贝尔物理学奖揭晓，来自美国、德国和瑞典的三位科学家，因为在“产生阿秒光脉冲以研究物质中电子动力学的实验方法”方面所做出的贡献而成功获奖。这一次的颁奖，也让“阿秒研究”走出学术圈，正式进入大众视野。什么是“阿秒”，“阿秒研究”会给我们的生活带来哪些变化？记者邀请上海科技大学物质科学与技术学院助理教授潘义明进行了解读。“人们对“快”的追逐，让 “相机快门”时间单位越来越小探寻“阿秒”的定义之前，潘义明提出了一个19世纪学界颇为津津乐道的问题：赛马时，马儿在奔驰时，四条腿会同时离开地面吗？19世纪，美国企业家和政治家利兰·斯坦福对于这个问题非常感兴趣。为了进行验证，斯坦福找到了著名的摄影师 埃德沃德·迈布里奇以寻求帮助。在他们生活的时代，录像功能还没有诞生，当时相机快门的反应时间要15秒甚至1分钟。但马儿又跑得如此之快，要进行验证极其困难。迈布里奇不仅改进了当时的快门设计，还在跑道上放了一共12处相机和机关。每当马跑到相机前，就会触发机关拍下照片，最后将12张照片拼在一起，就形成了马儿奔跑的全过程了。通过拼接后的照片，人们找到了问题的答案：快马奔驰时，的确有那么一个瞬间四条腿会同时离开地面。后来人们在此基础上发展出了电影技术。科研人员由此提出疑问：快马的奔驰尽管很快，但也顶多是在0.01秒的数量级。那么，如果想要观测到更快的运动呢？各种超快的事情都可能在一两飞秒之内发生，如果你的闪光灯太慢，你就会漏掉这些转瞬即逝的镜头。因此科学家们努力钻研，争分夺秒地研制更细微更精确的“时间窗”，用它来观察物质世界。举个例子，微观世界里粒子的运动，又或者是化学反应中电子的运动的捕捉，显然就不能靠普通相机来完成，这需要更短的曝光时间。“皮秒”，“飞秒”的概念逐渐诞生。“皮秒”（10的负12次方秒）可以观测到分子转动的动力学过程，“飞秒”（10的负15次方秒）可以观测到化学键的振动动力学。利用超快光学观测这些超快现象中的动力学过程，可以加深我们对于物质和分子的理解。有了“阿秒”，人们才得以顺利看见了“光”如果，物质运动得比分子还快，怎么办？比如一闪而过的“光”。在“阿秒”诞生之前，仅仅靠着 “皮秒”和“飞秒”，人们还是看不见光。对于“快”的追逐，让“阿秒”的诞生有了历史性的意义。科研人员曾不止一次应为“追光”而获得诺贝尔奖。1999年，亚米德·齐威尔因为“用飞秒光谱学对化学反应过渡态的研究”获得了诺贝尔化学奖。2018年，超强超短激光的啁啾脉冲放大技术(CPA) 就曾获得诺贝尔物理学奖。今年“阿秒”的获奖，更是让人们对于“瞬间”的捕捉，精确到了10的负18次方秒。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？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。2004年，阿秒条纹相机诞生，人们得以顺利捕捉“光”的存在。上海科技大学物质科学与技术学院助理教授潘义明告诉记者，通过条纹照相技术，科研人员可以获得阿秒脉冲信息，物质内部电子运动的信息，驱动激光脉冲的电场信息。“我们可以看见‘光’，这是阿秒的能力，不是其他学科能够替代的。”我国首个阿秒激光装置正在建设中“阿秒”成为了科研人员探索电子世界的新工具。“对于科研人员来说，阿秒研究势在必得，有了阿秒，很多理科实验中的相关原子尺度内动力学过程会看的更加清楚，人们对于生物蛋白、生命现象、原子尺度等相关研究会更加精确。”潘义明说。中科院物理研究所研究员魏志义认为，相干光脉冲从飞秒进步到阿秒，不单是时间尺度的简单进步，更重要的是将人们研究物质结构的能力，从原子分子运动推进到了原子内部，可以对电子运动和关联行为进行探测，从而引发了基础物理研究的重大革命。精密测量电子的运动，实现对其物理性质的理解，进而控制原子内电子的动力学行为是人们追求的重要科学目标之一。有了阿秒脉冲，我们就能测量甚至操纵单个微观粒子，进而对微观世界，也就是一个被量子力学主宰的世界，进行更基础更具有原理性的观察和描述。虽然这一项研究距离普通大众的距离还有些遥远，但“蝴蝶翅膀”的煽动，必将引发科研“风暴”的来临。在我国，阿秒激光相关的研究被纳入国家重要发展方向，已经建成的相关实验系统及正在规划的科学装置，将为阿秒动力学的研究提供重要的创新手段，通过观察电子运动，成为未来时间分辨率范畴的最好“电镜”。据公开信息，在我国位于粤港澳大湾区的松山湖材料实验室，正在规划一台阿秒激光装置。据介绍，先进阿秒激光设施由中科院物理所与中科院西光所共建、松山湖材料实验室参与建设。通过高起点设计，建设具有高重复频率、高光子能量、高通量及极短脉宽的多束线站，提供最短脉宽小于60as、最高光子能量可到500eV的超快相干辐射，并配备建设相应的应用研究平台，建成后综合指标有望实现国际领先。扬子晚报/紫牛新闻记者 杨甜子校对 徐珩举报/反馈