2023 年 10 月 3 日北京時(shí)間 17 時(shí) 45 分許，2023 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國科學(xué)家皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），匈牙利裔奧地利科學(xué)家費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和法國/瑞典科學(xué)家安妮·呂利耶（Anne L'Huillier），以表彰他們“為研究物質(zhì)中的電子動(dòng)力學(xué)而產(chǎn)生阿秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)方法”。

皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），1968 年獲得法國艾克斯-馬賽大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任美國俄亥俄州立大學(xué)教授。

費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz），1962 年出生于匈牙利莫爾。1991 年獲得奧地利維也納科技大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任德國加興馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所所長(zhǎng)，德國慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)教授。

安妮·呂利耶（Anne L'Huillier），1958 年出生于法國巴黎。1986 年獲得法國巴黎皮埃爾和瑪麗居里大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任瑞典隆德大學(xué)教授。

光脈沖中的電子

今年的獲獎(jiǎng)?wù)咴趯?shí)驗(yàn)中創(chuàng)造了足夠短的閃光，可以拍攝極快的電子運(yùn)動(dòng)的快照。安妮·呂利耶（Anne L'Huillier） 發(fā)現(xiàn)了激光與氣體中原子相互作用的新效應(yīng)。皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）證明，這種效應(yīng)可以用來產(chǎn)生比以前更短的光脈沖。

一只小小的蜂鳥每秒可以拍打翅膀80次，然而在我們看來，只能感覺到嗡嗡的聲音和模糊的翅膀動(dòng)作。對(duì)于人類的感官來說，快速的運(yùn)動(dòng)會(huì)變得模糊，而那些極短的事件則無法觀測(cè)到——我們需要依靠特別的技術(shù)來捕捉或描繪這些非常短暫的瞬間。借助高速攝影和閃光燈，我們得以捕捉到那些轉(zhuǎn)瞬即逝的現(xiàn)象的具體形貌。如果想要拍攝到飛行中蜂鳥的高清照片，那么就需要曝光時(shí)間比蜂鳥的單次振翅還要短得多。如果要捕捉到越快的事件，需要的拍攝速度也越快。

同樣的原理適用于所有用于測(cè)量或描述快速運(yùn)動(dòng)過程的方法：任何測(cè)量都必須比目標(biāo)系統(tǒng)發(fā)生明顯變化的時(shí)間更快，否則就只能得到模糊的結(jié)果。今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)咴趯?shí)驗(yàn)中展示了一種產(chǎn)生光脈沖的方法，這種脈沖足夠短，足以捕獲原子和分子內(nèi)部過程的圖像。

原子的自然時(shí)間尺度非常短。在分子中，原子可以在千萬億分之一秒（飛秒）內(nèi)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，這些運(yùn)動(dòng)可以用激光產(chǎn)生的極短脈沖來研究。但當(dāng)整個(gè)原子運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)間尺度是由它們大而重的原子核決定的，與輕而靈活的電子相比，原子核的速度極其緩慢。當(dāng)電子在原子或分子內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，它們的移動(dòng)速度非常快，以至于在飛秒尺度下都無法清晰描述了。在電子世界中，位置和能量以一到幾百阿秒的速度變化，而阿秒是10-18秒。

一阿秒非常短，一秒鐘內(nèi)的阿秒數(shù)與138億年前宇宙誕生以來所經(jīng)過的秒數(shù)相同。舉一個(gè)離我們生活更近的例子，我們可以想象一束光從房間的一端發(fā)射到對(duì)面的墻壁——這需要100億阿秒。

一直以來，飛秒被認(rèn)為是可以產(chǎn)生的閃光的極限。只是改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)還不足以看到電子在極其短暫的時(shí)間尺度上運(yùn)動(dòng)的過程——科學(xué)家需要一些全新的東西。而今年的獲獎(jiǎng)?wù)唛_辟了阿秒物理學(xué)的全新領(lǐng)域。

電子在原子和分子中的運(yùn)動(dòng)非?？欤瑴y(cè)量尺度是阿秒量級(jí)。一秒鐘的一阿秒，就像宇宙年齡中的一秒一樣短。

高次諧波下更短的脈沖

光由波（電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的波動(dòng)）組成，它們?cè)谡婵罩械膫鞑ニ俣缺绕渌魏螙|西都快。不同波長(zhǎng)的光表現(xiàn)為不同顏色的色光。例如，紅光的波長(zhǎng)約為700納米，約為頭發(fā)絲寬度的百分之一，每秒振動(dòng)約430萬億次。我們可以將最短的光脈沖視為光波中單個(gè)周期的長(zhǎng)度，也就是光波上升到波峰、下降到波谷、再回到起點(diǎn)的一個(gè)周期。在這種情況下，普通激光系統(tǒng)中使用的激光波長(zhǎng)永遠(yuǎn)無法低于飛秒量級(jí)，因此在 20 世紀(jì) 80 年代，這被視為對(duì)最短光脈沖的硬性限制。

根據(jù)波的數(shù)學(xué)原理，如果使用足夠多的具有合適波長(zhǎng)、頻率和振幅（波峰和波谷之間的距離）的波，我們可以構(gòu)建任意波形。而阿秒脈沖的訣竅在于，通過組合更多和更短的波來生成更短的脈沖。

電子的運(yùn)動(dòng)極快，因此如果想在原子尺度上觀察電子運(yùn)動(dòng)，就需要足夠短的光脈沖，這意味著需要組合許多不同波長(zhǎng)的短波。

要想產(chǎn)生有史以來最短波長(zhǎng)的光，我們需要的不僅僅是激光器，最關(guān)鍵的是理解激光穿過氣體時(shí)出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。當(dāng)激光與氣體中的原子相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種諧波——原始波中每個(gè)周期完成多個(gè)完整周期的波。我們可以將諧波與賦予聲音特定特征的泛音進(jìn)行比較，泛音使我們能夠聽出吉他和鋼琴上演奏的相同音符之間的差異。

1987 年，法國一家實(shí)驗(yàn)室的安妮·呂利耶和她的同事利用穿過惰性氣體的紅外激光束演示了諧波的產(chǎn)生。與之前實(shí)驗(yàn)中使用的波長(zhǎng)較短的激光相比，紅外光產(chǎn)生的諧波更多且更強(qiáng)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們觀察到許多光強(qiáng)大致相同的諧波。