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阿秒激光脉冲开启阿秒科学——2023年诺贝尔物理学奖简介
发布日期:2023年10月04日

10月3日,2023年诺贝尔物理学奖评选结果揭晓:诺贝尔物理学奖授予皮埃尔・阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、费伦茨・克劳斯 (Ferenc Krausz) 和安妮・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光脉冲的实验方法(for experimental methods that generate attosecond pulses of light for the study of electron dynamics)”。

利用超短激光脉冲研究微观世界的超快过程是物理学领域的基本实验手段之一,超短光脉冲为拍摄这些物理过程提供一个超快的光快门。1999年,诺贝尔化学奖颁给艾哈迈德·泽维尔(Ahmed H.Zewail),以表彰他应用飞秒(1飞秒=10-15秒)激光泵浦-探测技术观测到分子中的原子在化学反应中如何运动,从而有助于人们理解和预期重要的化学反应,并为整个化学及其相关科学带来了一场革命。原子和分子内部电子运动比分子中的原子运动要快得多,其典型时间尺度在阿秒(1阿秒=10-18秒)量级。如果需要对原子和分子内部电子运动拍摄电影,则需要与之相比拟的阿秒光脉冲。在阿秒激光脉冲产生之前,人们能产生的最短激光脉冲是飞秒激光脉冲。然而,产生和测量飞秒激光脉冲的实验技术并不能直接推广到产生和表征阿秒光脉冲。今年的三位诺贝尔物理学奖获得者就是因发展阿秒激光脉冲的产生和测量实验技术而获得认可,这些实验为人类探索原子和分子内部的电子运动提供了新工具。

安妮·卢利尔是法国物理学家,目前是瑞典隆德大学原子物理学教授。她是最早通过实验证明高次谐波产生的人之一,这是阿秒脉冲形成的基本物理过程。她的实验结果表明高次谐波光谱具有的特殊性质,例如谐波光谱强度分布出现平台结构等,却不能被传统的微扰非线性光学理论解释,进而促进了该过程理论描述的发展。2021年,卢利尔因“在超快激光科学和阿秒物理方面的开创性工作,实现和理解高次谐波产生,并将其应用于原子和分子中电子运动的时间分辨成像”而获得美国光学学会波恩(Max Born)奖。2022年,她因“对超快激光科学和阿秒物理的开创性贡献”,获得了沃尔夫物理学奖。

皮埃尔·阿戈斯蒂尼是美国俄亥俄州立大学名誉教授。根据锁模激光器的原理,利用高次谐波可以合成阿秒脉冲。然而,传统的测量飞秒激光脉冲的方法不能直推广到测量阿秒激光脉冲。直到2001年,皮埃尔・阿戈斯蒂尼等人发展一种通过双光子跃迁干涉重建阿秒拍频(英文简称:RABBITT)的阿秒脉冲测量技术,在实验上首次测量到阿秒脉冲串,其中每个光脉冲的脉冲宽度只有250阿秒(Science 292, 1689 (2001))。

与此同时,费伦茨・克劳斯等人正在进行另一种的实验,在该实验中首次创造阿秒条纹相机(Attosecond Streaking)技术,并测量到持续时间为650阿秒的单个光脉冲(Nature,414,509(2021))。利用这些阿秒级的光脉冲,可以实时观测电子的内部原子运动,这一成果标志着阿秒物理学的开始。此外,他还和罗伯特·尼普尔(Robert Szipöcs)联合研发了啁啾反射镜,并成为当今飞秒激光系统中不可或缺的一部分。克劳斯用一系列实验实现了飞秒脉冲的波形控制,以及由此产生的可重复性阿秒脉冲,使阿秒测量技术成为今天阿秒物理实验的技术基础。

目前,国内外许多的实验室均能产生阿秒激光脉冲。利用阿秒激光脉冲已经观测到了大量的基本电子过程,比如隧穿、电荷输运、相干EUV发射、延迟光电效应、价电子移动,并且实现了介质的光学和电学特性的控制。同时,阿秒激光脉冲已经应用到物理、化学、生物、材料等各个领域,开启了阿秒科学。

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制作丨龚   成

责编丨王雁军

审校丨俞云伟


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