获得2023年诺贝尔物理学奖的“阿秒脉冲”是什么？

北京时间10月3日，瑞典皇家科学院决定将2023年诺贝尔物理学奖授予美国科学家皮埃尔·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、德国科学家费伦茨·克劳斯 (Ferenc Krausz) 和瑞典科学家安妮·卢利尔 (Anne L’Huillier)，以表彰他们“为研究物质中的电子动力学而产生阿秒脉冲光的实验方法”。

图自：诺贝尔奖委员会官网

瑞典皇家科学院指出，他们“证明了一种制造极短光脉冲——阿秒脉冲的方法，这种方法可用于测量原子和分子内部的电子运动或改变能量的快速过程，为人类探索电子世界提供了新工具”。其中，吕利耶从激光与气体中原子的相互作用中发现了谐波效应；阿戈斯蒂尼和克劳斯则证明用这种效应可以产生比飞秒脉冲更短的阿秒光脉冲。

“人们曾经认为电子的这种变化是看不见的，但阿秒脉冲的使用改变了这一点。”诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森(Eva Olsson)指出：“我们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会了解控制电子的机制，下一步将是更好地利用它们。”

官方表示，“他们的贡献使人们能够研究以前无法跟踪的极短过程”，而 1100 万瑞典克朗（约合 730 万元人民币）的奖金将由三位获奖者平分。

阿秒有多短暂？

普通摄像机每秒拍摄 24 帧，即一秒内快门开合 24 次，而高速摄像机可以以小于 1/1000 秒的曝光或每秒超过 250 帧的速率来捕捉运动图像。这种技术对于记录闪电、爆炸等瞬时事件至关重要。

就像我们用光来观察周围的宏观世界一样，我们也可以用光来探测亚原子世界。但有一个原则必须遵守：任何测量都必须快于被研究系统发生明显变化所需的时间，否则只能得到模糊的结果。

在一个分子中，原子在飞秒（fs，千万亿分之一秒，即 10^-15 s）时间尺度内移动和转动。因此，科学家们可以借助此前最短的光脉冲——飞秒脉冲来对其开展研究。

24年前的1999年，美国加州理工学院教授艾哈迈德·泽维尔（Ahmed H. Zewail）因为利用飞秒激光观察反应过程中化学分子的过渡态，独享当年的诺贝尔化学奖。

电子绕氢原子核一周大约需要150阿秒。而电子在原子或分子内部“狂飙”时，其位置和能量在一到几百阿秒内发生变化，要对其运动开展测量，飞秒技术“爱莫能助”。

阿秒有多短暂呢？1阿秒是10的负18次方秒，也就是十亿分之一秒的十亿分之一。1阿秒之于1秒，相当于1秒之于宇宙的年龄（138亿年）。一束光从房间的一边到达对面墙上就需要100亿阿秒。

一秒钟内的阿秒数与138亿年前宇宙诞生以来所经过的秒数相同。（图自：诺贝尔奖官网）

当人们对世界观察的时间尺度达到了阿秒（as，即 10^-18 s）量级，可以观察的空间分辨也能够达到原子尺度（0.1 nm）和亚原子尺度（例如括分子键的断裂与重组）。

之前在这样的时间和空间尺度范围内，人们对生物、化学和物理的研究边界也是模糊的，因为这些微观现象的根源在于电子的运动。

因此，阿秒光脉冲应运而生。阿秒脉冲激光是一种发光持续时间极短的光脉冲，其脉冲宽度小于 1 飞秒，它的出现被认为是激光科学历史上最重要的里程碑之一，应用前景难以估量，目前已经成为物理、化学、生物等众多领域重要的研究手段。

简单来说，我们一般根据发光持续时间的长短将激光分为连续激光和脉冲激光，其中脉冲激光工作方式是在一个个间隔的小时间段内发射光脉冲，其峰值功率很高。

阿秒脉冲的实现

在阿秒光脉冲出现之前， 产生超短脉冲激光的理论基础一直是爱因斯坦的能级跃迁受激辐射。根据受激辐射理论，处于束缚能级上的电子只能在原子核附近运动，所储存的能量有限。一般上下两能级跃迁所发射光子对应的波长都处在可见光附近，可见光一个光学周期一般 都在1飞秒 以上，显然难以用来进一步产生更短的阿秒光脉冲。

如何让光脉冲达到阿秒量级？科学家通过理论计算认为，可以通过组合多个波长的短波长激光脉冲来产生更短的光脉冲。

用最短光脉冲探索电子世界。（图自：诺贝尔奖官网）

《科技日报》采访了中国科学院物理研究所研究员魏志义，他解释说：“要产生新的波长不仅需要飞秒激光驱动，还需要聚焦到气体，通过光与气体原子的相互作用产生所谓的高次谐波，高次谐波是在驱动激光的一个周期中，产生两个周期的波。”

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，即高次谐波。

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。

在后续的理论研究中，他们也预测了高次谐波产生阿秒脉冲的可能性。1993 年，当时在加拿大国家研究委员会工作的物理学家保罗·科克姆（Paul Corkum）等人在理论上提出并发展了重要的电子再散射的三步模型。

上图中的第一张小图指的是电子在强激光作用下的隧穿电离，成为自由电子。第二张小图指的是隧穿电离后的电子在外加激光电场的驱动下进行加速，半个光学周期后方向反转。第三张小图指的是加速电子在反向电场的作用下，以一定概率再回到电离的原子核附近并与之复合，在复合过程之中电子将以光的形式释放所积累的动能和电离能，进而表现为高次谐波。上述三步模型为深入理解强场物理过程及后期蓬勃发展起来的阿秒物理研究奠定了理论基础。

虽然物理学家在上世纪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，通过双光子、双色光电离来测量相位的方法，在时域中形成并成功测量了脉冲宽度为 250as、相邻脉冲间隔为 1.35fs的阿秒脉冲串。

同年，费伦茨·克劳斯和其在奥地利的伙伴们则另辟蹊径，将 800nm、40fs、1kHz、3mJ 的激光压缩到约 7fs 后聚焦到氖气上，成功产生并测量了 650as 的首个孤立阿秒脉冲，使光脉冲宽度首次达到阿秒量级，并用它来捕获原子内电子的运动。

《澎湃新闻》采访了中国科学院物理研究所副研究员、博士生导师方少波，以及上海理工大学光电信息与计算机工程学院教授、博士生导师刘一。

方少波认为，进一步增强阿秒脉冲，现在还存在技术难度。孤立阿秒脉冲也从最开始的 650as 被不断缩短，直到 2017 年美国中佛罗里达大学教授常增虎课题组得到了 53as 的孤立阿秒脉冲, 其光子能量达到碳 K 吸收边缘（284eV）。同年, 瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员同样利用长波长飞秒激光为驱动脉冲，产生了 43as 的孤立阿秒脉冲，也是迄今为止最短阿秒脉冲的世界纪录。

孤立阿秒脉冲脉宽被不断缩短（图自：科学通报）

刘一表示，脉冲更短，能量更高，重复频率更高，这是阿秒脉冲领域内人们正在努力的三个维度。除了在泵浦激光、产生介质等方面进行改进外，他表示，普通实验室用的聚焦透镜是1米或2米长的，但在欧盟一些实验室用的聚焦透镜长达50米，就是为了产生更强的阿秒脉冲。

阿秒脉冲有望催生更强大的计算机芯片

目前，人们多将阿秒光脉冲应用于研究原子和分子中的超快电子动力学，关于原子的物理现象主要是原子内电子电离、多电子俄歇衰变、电子激发弛豫和成像等，而关于分子的研究主要是分子的解离过程和控制、分子的振动和转动与超快电子运动的耦合等。

魏志义指出：“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。”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。

鉴于其巨大的潜在应用价值，美国、欧洲、日本等将阿秒激光技术列为未来 10 年激光科学发展最重要的发展方向之一。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。

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。

西安光机所在 2021 年就获得了 75 as 的阿秒光脉冲产生与测量结果

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。

阿秒脉冲是最快的光吗？

看到这里，你可能认为，能追踪飘忽运动电子的阿秒脉冲已经是最快的光了。但实际上，在同一介质中，光速不变。

刘一表示，“更准确地说，（阿秒脉冲）是最短的，目前最短的光脉冲。”

但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。

如果简单地把电子看作是原子核周围的“超级跑车”或者子弹，那么阿秒脉冲如同开关很快的相机快门，可以将电子“拍摄”下来。

刘一表示，“好比子弹飞过去了，如果你相机的快门不够快的话，你拍到的是一条线、一个影子，而非清晰的子弹。而阿秒脉冲提供了一个很快的‘快门’，曝光时间尺度很短。”

所以，静止是相对的。

方少波也在《澎湃科技》的采访中表示，曝光时间之所以要短，是为了在快门一开一关之间，被拍摄对象几乎相当于是静止的，或者它移动的距离足够短，否则很难定格清晰的瞬间。

附：近几年诺贝尔物理学奖得主名单

2022年，诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser）和奥地利科学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献。

2021年，因对我们理解复杂物理系统作出了开创性贡献，日裔美籍科学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼Klaus Hasselmann），与意大利科学家乔治·帕里西（ Giorgio Parisi），分享了2021年诺贝尔物理学奖。

2020年，英国科学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）因证明黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果，德国科学家赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和美国科学家安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）因在银河系中央发现超大质量天体，他们分享了2020年诺贝尔物理学奖。

2019年，因在我们理解宇宙演化和地球在宇宙中位置的贡献，美国科学家詹姆斯·皮布尔斯和来自瑞士的科学家米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹，被授予2019年诺贝尔物理学奖。

2018年，因在激光物理学领域的突破性发明，发明光镊的美国贝尔实验室科学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），与发明啁啾脉冲放大技术（CPA）的法国巴黎综合理工学院科学家热拉尔·穆鲁（Gérard Mourou）和加拿大滑铁卢大学科学家唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland），被授予2018年诺贝尔物理学奖。

2017年，因对LIGO探测器（激光干涉引力波天文台）和引力波探测的决定性贡献，美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩被授予2017年诺贝尔物理学奖。

2016年，因在拓扑相变和物质拓扑相方面的理论发现，均出生在英国、任职于美国三所不同大学的科学家大卫·索利斯、邓肯·霍尔丹、迈克尔·科斯特利茨被授予2016年诺贝尔物理学奖。

关于诺贝尔奖

1895年11月27日，瑞典著名化学家、硝化甘油炸药发明人阿尔弗雷德·伯恩哈德·诺贝尔（Alfred Bernhard Nobel）在巴黎签署了他第三份，也是最后一份遗嘱，将财产中的最大一份给了一系列奖项，即诺贝尔奖。诺贝尔奖初始分设物理、化学、生理学或医学、文学、和平等五个奖项。1968年，瑞典国家银行在成立300周年之际，捐出大额资金给诺贝尔基金，增设“瑞典国家银行纪念诺贝尔经济科学奖”，俗称诺贝尔经济学奖。

诺贝尔奖的奖金来自诺贝尔所成立基金的利息或投资收益。随着诺贝尔基金的收益变化，诺贝尔奖的奖金有所浮动。2023年的诺贝尔奖金额设定为每项诺贝尔奖1100万瑞典克朗，约合人民币735万元。