武陵观察网 科技 阿秒激光:为“狂飙”的电子摄影——解读2023年诺贝尔物理学奖

阿秒激光:为“狂飙”的电子摄影——解读2023年诺贝尔物理学奖

据诺贝尔奖委员会官网介绍,1987年,吕利耶及其同事将一束红外激光聚焦到惰性气体,结果发现产生的谐波比之前用较短波长激光驱动所产生的谐波更多、更强,并且观测到的许多谐波具有相似的光强。

科学家们进一步研究发现,一旦这些谐波存在,它们会相互作用。当这些谐波的峰值相互重合时,光会变得更强烈;但当一个谐波的波峰与另一个谐波的波谷重合时,光会变得不那么强烈。在适当的情况下,谐波重合后会出现一系列紫外波段的激光脉冲,其中每个脉冲时长仅几百阿秒。物理学家在上世纪90年代就明白了这背后的理论,但直到2001年才真正揭示其“庐山真面目”。

2001年,阿戈斯蒂尼及其在法国的同事,在实验上成功产生了一系列仅持续250阿秒的脉冲串。费伦茨·克劳斯和其在奥地利的伙伴们则另辟蹊径,成功隔离出持续时长650阿秒的单个孤立光脉冲,而且用其跟踪和研究了将电子从原子中“拉”出来的过程。

“正是以这三位科学家为代表的研究人员历时十几年的工作,通过聪明才智和不懈努力,使超快科学迈入了阿秒时代!”魏志义强调说。

阿秒脉冲有望在多个领域“大显身手”

一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次,用人眼是无法看清的,但采用高速摄影相机就可将其动作定格成一帧帧清晰的画面。

魏志义形象地指出:“阿秒光脉冲正是研究微观物质世界的‘高速摄影相机’,可将‘狂飙’的电子定格下来进行观察。”

魏志义满怀希望地表示:“在(阿秒)如此短的时间尺度上研究和理解电子,有望促进超高速电子学的快速发展,有朝一日可能催生更强大的计算机芯片。它还使我们能够根据分子的电子特性来区分分子,并用于疾病的快速准确的诊断。”

据诺贝尔奖委员会官网介绍,克劳斯团队通过结合宽带光学、超快激光光源和精确的飞秒-阿秒泵浦探测技术,开发出了电场分子指纹技术,可以探测生物流体内分子成分的变化。这有望成为一种新的体外诊断分析技术,检测血液样本中疾病的特征分子,这一技术的优点在于可以同时监测许多分子,且不会对人体造成伤害。

据魏志义介绍,目前国际上除上述研究组外,美国、加拿大、意大利、瑞士、日本、韩国等国家的多个研究组也一直开展有阿秒脉冲的产生及在物理、化学、生物等诸多领域的应用研究。

“如美国中佛罗里达大学常增虎教授的团队先后于2012年及2017年两次创造了最短阿秒脉冲的世界纪录,瑞士联邦技术大学于2017年报道的43阿秒结果迄今仍保持着目前最短的世界纪录。特别是欧盟在匈牙利建设了以阿秒激光为主体内容的极端光设施(ELI-ALPS),用以提供不同领域的科学家开展阿秒科学研究”,对于阿秒领域的成果,魏志义如数家珍。

阿秒光脉冲的研究也得到中国科学家的广泛重视。中国科学院物理研究所、上海光机所、西安光机所、北京大学、华东师范大学、国防科技大学、华中科技大学等单位都开展有阿秒科学的研究。2013年,魏志义课题组首次在国内产生并测量得了160阿秒的孤立阿秒脉冲,目前正在进一步朝着更短脉宽、更高能量及更高重复频率的方向发展,结合终端设备,为阿秒激光在凝聚态物理、原子分子物理、化学、生物医学、信息、能源等领域的研究提供国际领先的平台与设施。

凡是过往,皆为序章!随着技术的不断发展,未来有望产生比阿秒更短的时间单位,如仄秒(10的负21次方秒)、幺秒(10负24次方秒)等。在科学探索和技术发展的征程中,人类前进的脚步永不停歇。

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