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? ? 10月3日，2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉，來(lái)自美國(guó)、德國(guó)和瑞典的三位科學(xué)家，因?yàn)樵凇爱a(chǎn)生阿秒光脈沖以研究物質(zhì)中電子動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法”方面所作出的貢獻(xiàn)而成功獲獎(jiǎng)。這一次的頒獎(jiǎng)，也讓“阿秒研究”走出學(xué)術(shù)圈，正式進(jìn)入大眾視野。什么是“阿秒”，“阿秒研究”會(huì)給我們的生活帶來(lái)哪些變化？記者邀請(qǐng)上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助理教授潘義明進(jìn)行了解讀。
? ? “人們對(duì)“快”的追逐，讓 “相機(jī)快門”時(shí)間單位越來(lái)越小
? ? 探尋“阿秒”的定義之前，潘義明提出了一個(gè)19世紀(jì)學(xué)界頗為津津樂(lè)道的問(wèn)題：賽馬時(shí)，馬兒在奔馳時(shí)，四條腿會(huì)同時(shí)離開(kāi)地面嗎？
? ? 19世紀(jì)，美國(guó)企業(yè)家和政治家利蘭·斯坦福對(duì)于這個(gè)問(wèn)題非常感興趣。為了進(jìn)行驗(yàn)證，斯坦福找到了著名的攝影師 埃德沃德·邁布里奇以尋求幫助。在他們生活的時(shí)代，錄像功能還沒(méi)有誕生，當(dāng)時(shí)相機(jī)快門的反應(yīng)時(shí)間要15秒甚至1分鐘。但馬兒又跑得如此之快，要進(jìn)行驗(yàn)證極其困難。邁布里奇不僅改進(jìn)了當(dāng)時(shí)的快門設(shè)計(jì)，還在跑道上放了一共12處相機(jī)和機(jī)關(guān)。每當(dāng)馬跑到相機(jī)前，就會(huì)觸發(fā)機(jī)關(guān)拍下照片，最后將12張照片拼在一起，就形成了馬兒奔跑的全過(guò)程了。
? ? 人們通過(guò)拼接后的照片，人們找到了問(wèn)題的答案：快馬奔馳時(shí)，的確有那么一個(gè)瞬間四條腿會(huì)同時(shí)離開(kāi)地面。后來(lái)人們?cè)诖嘶A(chǔ)上發(fā)展出了電影技術(shù)。
? ? 科研人員由此提出疑問(wèn)：快馬的奔馳盡管很快，但也頂多是在0.01秒的數(shù)量級(jí)。那么，如果想要觀測(cè)到更快的運(yùn)動(dòng)呢？各種超快的事情都可能在一兩飛秒（fs）之內(nèi)發(fā)生，如果你的閃光燈太慢，你就會(huì)漏掉這些轉(zhuǎn)瞬即逝的鏡頭。因此科學(xué)家們努力鉆研，爭(zhēng)分奪秒地研制更細(xì)微更精確的“時(shí)間窗”，用它來(lái)觀察物質(zhì)世界。
? ? 同樣，微觀世界里粒子的運(yùn)動(dòng)，又或者是化學(xué)反應(yīng)中電子的運(yùn)動(dòng)的捕捉，顯然就不能靠普通相機(jī)來(lái)完成，這需要更短的曝光時(shí)間?！捌っ搿?，“飛秒”的概念逐漸誕生。“皮秒”（10的負(fù)12次方秒）可以觀測(cè)到分子轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，“飛秒”（10的負(fù)15次方秒）可以觀測(cè)到化學(xué)鍵的振動(dòng)動(dòng)力學(xué)。利用超快光學(xué)觀測(cè)這些超快現(xiàn)象中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，可以加深我們對(duì)于物質(zhì)和分子的理解。
? ? 有了“阿秒”，人們才得以順利看見(jiàn)了“光”
? ? 如果，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)得比分子還快，怎么辦？比如一閃而過(guò)的“光”。在“阿秒”誕生之前，僅僅靠著 “皮秒”和“飛秒”，人們還是看不見(jiàn)光。對(duì)于“快”的追逐，讓“阿秒”的誕生有了歷史性的意義。
? ? 科研人員曾不止一次應(yīng)為“追光”而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。1999年，亞米德·齊威爾因?yàn)椤坝蔑w秒光譜學(xué)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)渡態(tài)的研究”獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。2018年，超強(qiáng)超短激光的啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA) 就曾獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。今年“阿秒”的獲獎(jiǎng)，更是讓人們對(duì)于“瞬間”的捕捉，精確到了10的負(fù)18次方秒。目前，世界上最短的單個(gè)阿秒光學(xué)脈沖是53阿秒和43阿秒。
? ? 這是一個(gè)非常短的時(shí)間單位，到底有多短呢？科研人員曾打過(guò)一個(gè)有趣的比方，1秒中光傳播的距離可以繞地球7.5圈，而1阿秒中光只能從水分子的一端傳播到另一端。換個(gè)角度，如果將1阿秒與1秒相比，相當(dāng)于將1秒與宇宙的年齡相比。
? ? 2004年，阿秒條紋相機(jī)誕生，人們得以順利捕捉“光”的存在。上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助理教授潘義明告訴記者，通過(guò)條紋照相技術(shù)，科研人員可以獲得阿秒脈沖信息，物質(zhì)內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)的信息，驅(qū)動(dòng)激光脈沖的電場(chǎng)信息。“我們可以看見(jiàn)‘光’，這是阿秒的能力，不是其他學(xué)科能夠替代的?！?br>
? ? 我國(guó)首個(gè)阿秒激光裝置正在建設(shè)中！?。?br>
? ? “阿秒”成為了科研人員探索電子世界的新工具。“對(duì)于科研人員來(lái)說(shuō)，阿秒研究勢(shì)在必得，有了阿秒，很多理科實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)原子尺度內(nèi)動(dòng)力學(xué)過(guò)程會(huì)看的更加清楚，人們對(duì)于生物蛋白、生命現(xiàn)象、原子尺度等相關(guān)研究會(huì)更加精確。”潘義明說(shuō)。
? ? 中科院物理研究所研究員魏志義認(rèn)為，相干光脈沖從飛秒進(jìn)步到阿秒，不單是時(shí)間尺度的簡(jiǎn)單進(jìn)步，更重要的是將人們研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力，從原子分子運(yùn)動(dòng)推進(jìn)到了原子內(nèi)部，可以對(duì)電子運(yùn)動(dòng)和關(guān)聯(lián)行為進(jìn)行探測(cè)，從而引發(fā)了基礎(chǔ)物理研究的重大革命。精密測(cè)量電子的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其物理性質(zhì)的理解，進(jìn)而控制原子內(nèi)電子的動(dòng)力學(xué)行為是人們追求的重要科學(xué)目標(biāo)之一。有了阿秒脈沖，我們就能測(cè)量甚至操縱單個(gè)微觀粒子，進(jìn)而對(duì)微觀世界，也就是一個(gè)被量子力學(xué)主宰的世界，進(jìn)行更基礎(chǔ)更具有原理性的觀察和描述。
? ? 雖然這一項(xiàng)研究距離普通大眾的距離還有些遙遠(yuǎn)，但“蝴蝶翅膀”的煽動(dòng)，必將引發(fā)科研“風(fēng)暴”的來(lái)臨。在我國(guó)，阿秒激光相關(guān)的研究被納入國(guó)家重要發(fā)展方向，已經(jīng)建成的相關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及正在規(guī)劃的科學(xué)裝置，將為阿秒動(dòng)力學(xué)的研究提供重要的創(chuàng)新手段，通過(guò)觀察電子運(yùn)動(dòng)，成為未來(lái)時(shí)間分辨率范疇的最好“電鏡”。
? ? 據(jù)公開(kāi)信息，在我國(guó)位于粵港澳大灣區(qū)的松山湖材料實(shí)驗(yàn)室，正在規(guī)劃一臺(tái)阿秒激光裝置。據(jù)介紹，先進(jìn)阿秒激光設(shè)施由中科院物理所與中科院西光所共建、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室參與建設(shè)。通過(guò)高起點(diǎn)設(shè)計(jì)，建設(shè)具有高重復(fù)頻率、高光子能量、高通量及極短脈寬的多束線站，提供最短脈寬小于60as、最高光子能量可到500eV的超快相干輻射，并配備建設(shè)相應(yīng)的應(yīng)用研究平臺(tái)，建成后綜合指標(biāo)有望實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先。
