2023年诺贝尔物理学奖揭晓！

光子盒研究院

刚刚，瑞典皇家科学院决定将“2023年诺贝尔物理学奖”授予美国俄亥俄州立大学的Pierre Agostini、马克斯普朗克量子光学研究所的Ferenc Krausz，和瑞典隆德大学的Anne L’Huillier，以表彰他们“用于研究物质中电子动力学的产生阿秒脉冲光的实验方法”。

——L’Huillier是第五位获得该奖项的女性。

在人类的感知中，快速运动的事件是相互流动的，就像一部由静止图像组成的电影被感知为持续运动一样。如果我们想研究真正短暂的事件，就需要特殊的技术。在电子的世界里，变化发生在十分之几阿秒的时间里——阿秒是如此之短，以至于一秒钟里发生的变化与宇宙诞生以来的秒数一样多。

获奖者的实验产生了如此短的光脉冲，以至于可以用阿秒来测量，从而证明这些脉冲可以用来提供原子和分子内部过程的图像。

1987年，安妮·勒惠利耶(Anne L’Huillier)发现，当她将红外激光穿过惰性气体时，会产生许多不同的泛音(overtone)。每个泛音都是一种光波，激光的每个周期都有一定数量的循环。它们是由于激光与气体中的原子相互作用而产生的；激光给一些电子提供了额外的能量，然后这些电子就会以光的形式发射出来。安妮·勒惠利耶继续探索这一现象，为后来的突破奠定了基础。

2001年，皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)成功制造并研究了一系列连续的光脉冲，其中每个脉冲仅持续250阿秒。与此同时，费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)正在进行另一种实验，即分离出持续650阿秒的单个光脉冲。

“获奖者们的贡献使我们能够研究以前无法跟踪的快速过程。我们现在可以打开通往电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会了解受电子支配的机制。下一步将是利用它们。”诺贝尔物理学奖委员会主席伊娃·奥尔森(Eva Olsson)说。

三位2023年诺贝尔物理学奖获得者的实验为人类提供了探索原子和分子内部电子世界的新工具，他们的研究成果得到了认可。皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)和安妮·勒惠利尔(Anne L'Huillier)展示了一种产生极短光脉冲的方法，这种光脉冲可用于测量电子移动或能量变化的快速过程。

在许多不同的领域都有潜在的应用。例如，在电子学中，了解和控制电子在材料中的行为非常重要；阿秒脉冲还可用于识别不同的分子，例如在医疗诊断中。

通过实验，今年的获奖者们创造出了足够短的闪光，可以拍摄电子极速运动的快照。安妮·勒惠利尔发现了激光与气体中原子相互作用产生的新效应。皮埃尔·阿戈斯蒂尼和费伦茨·克劳兹证明，这种效应可以用来产生比以前更短的光脉冲。

一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次。我们只能感知到呼呼的声音和模糊的动作。对于人类的感官来说，快速的运动是模糊的，极短的事件是无法观察到的。我们需要利用技术手段来捕捉或描绘这些非常短暂的瞬间。

今年的获奖者进行的实验展示了一种产生脉冲光的方法，这种脉冲光足够短暂，可以捕捉到原子和分子内部过程的图像。

原子的自然时间尺度非常短。在分子中，原子的移动和转动以十亿分之一秒（飞秒）为单位。当整个原子移动时，其时间尺度是由原子核的大小和重量决定的，与轻巧灵活的电子相比，原子核的移动速度极慢。当电子在原子或分子内运动时，它们的速度非常快，以至于在飞秒级的时间内，变化就会变得模糊不清。在电子的世界里，位置和能量的变化速度介于一到几百阿秒之间，其中一阿秒是十亿分之一秒。

——阿秒是如此之短，以至于一秒中的阿秒数量与宇宙诞生至今（138亿年前）的秒数相同。我们可以想象一下，一束光从房间的一端射向对面的墙壁，这需要100亿个飞秒；飞秒长期以来被认为是能够产生闪光的极限。要想看到电子在如此短暂的时间尺度内发生的过程，仅改进现有技术是不够的，还需要全新的技术。今年的获奖者进行的实验开辟了阿秒物理学这一新的研究领域。

电子在原子和分子中的运动是如此之快，以至于可以用阿秒来衡量。一阿秒与一秒的关系就像一秒与宇宙年龄的关系。

光由波组成——电场和磁场的振动，在真空中的移动速度比其他任何东西都快。它们具有不同的波长，相当于不同的颜色。例如，红光的波长约为700纳米，是头发丝宽度的1/100，每秒循环约四百三十万亿次。

我们可以把最短的光脉冲看作是光波中一个周期的长度，即光波上升到波峰，下降到波谷，再回到起点的周期。在这种情况下，普通激光系统中使用的波长永远无法低于飞秒，因此在20世纪80年代，这被视为最短光脉冲的硬限制。

描述波的数学证明，只要使用足够多的大小、波长和振幅（波峰和波谷之间的距离）合适的波，就能产生任何波形。阿秒脉冲的诀窍在于，可以通过组合更多和更短的波长来产生更短的脉冲。

在原子尺度上观测电子运动需要足够短的光脉冲，这就意味着要组合许多不同波长的短波。要为光增加新的波长，需要的不仅仅是激光；获得迄今研究的最短瞬间的关键是激光穿过气体时产生的一种现象。

激光与气体中的原子相互作用，产生了泛音：原始波的每一个周期都会产生若干个完整的周期。我们可以将其比作赋予声音特殊性的泛音，它使我们能够听出吉他和钢琴弹奏的同一个音符之间的区别。

1987年，安妮·勒惠利耶和她在法国实验室的同事利用红外线激光束穿过惰性气体，制造并演示了泛音。与之前实验中使用的波长较短的激光相比，红外光产生的泛音更多、更强。在这次实验中，我们观察到了许多光强大致相同的泛音。在一系列文章中，勒惠利耶在20世纪90年代继续探索这种效应，包括在她的新基地隆德大学；她的研究成果有助于从理论上理解这一现象，为下一次实验突破奠定了基础。

当激光进入气体并影响气体中的原子时，会引起电磁振动，从而扭曲原子核周围的电子电场。这样，电子就能从原子中逸出。然而，光的电场会持续振动，当它改变方向时，松散的电子可能会冲回原子核。在电子游离的过程中，它从激光的电场中收集了大量的额外能量，为了重新附着到原子核上，它必须以光脉冲的形式释放多余的能量：这些来自电子的光脉冲产生了实验中出现的泛音。

光的能量与其波长有关。发射的泛音中的能量相当于紫外线，而紫外线的波长比人眼可见光的波长短。由于能量来自激光的振动，泛音的振动将与原始激光脉冲的波长成优雅的正比。光与许多不同原子相互作用的结果，就是具有一组特定波长的不同光波。

一旦这些泛音存在，它们就会相互影响。当光波的波峰重合时，光线会变得更强，但当一个周期的波峰与另一个周期的波谷重合时，光线就会变得不那么强。在适当的情况下，泛音会重合，从而产生一系列紫外线脉冲，每个脉冲长达几百阿秒。物理学家早在20世纪90年代就了解了这背后的理论，但真正识别和测试脉冲的突破发生在2001年。

皮埃尔·阿戈斯蒂尼和他在法国的研究小组成功地制造并研究了一系列连续的光脉冲，就像一列有车厢的火车。他们使用了一种特殊的技巧，将“脉冲列车”与原始激光脉冲的延迟部分放在一起，以观察泛音是如何相位。这个过程也让他们测量出了“脉冲列车”中脉冲的持续时间，他们可以看到每个脉冲只持续250阿秒。

与此同时，奥地利的费伦茨·克劳斯和他的研究小组正在研究一种可以选择单脉冲的技术：就像一节车厢从火车上脱钩并切换到另一条轨道上一样。他们成功分离出的脉冲持续了650阿秒，研究小组用它来跟踪和研究电子被拉离原子的过程。

这些实验证明，阿秒脉冲是可以观测和测量的，而且还可以用于新的实验。

现在，人们已经可以进入阿秒世界，利用这些短脉冲光来研究电子的运动。现在可以产生低至几十阿秒的脉冲，而且这种技术还在不断发展。

通过阿秒脉冲，我们可以测量电子从原子中被拉出所需的时间，并研究电子是如何从原子中被拉出的；并研究这段时间如何取决于电子与原子核结合的紧密程度。这样就有可能重建电子在分子和材料中的分布是如何从一边到另一边或从一个位置到另一个位置摆动的。

——以前只能测量其平均位置。

阿秒脉冲可用来测试物质的内部过程，并识别不同的事件。如今，这些脉冲已被用于探索原子和分子的详细物理过程，并有可能应用于从电子学到医学的各个领域。

例如，阿秒脉冲可用于推动分子，使其发出可测量的信号。分子发出的信号具有特殊的结构，是一种能显示出是什么分子的“指纹”，其可能的应用包括医疗诊断等等。

参考链接：

[1]https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/advanced-information/

[2]https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/press-release/

[3]https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/popular-physicsprize2023.pdf

[4]https://www.reuters.com/science/agostini-krausz-lhuillier-win-2023-nobel-prize-physics-2023-10-03/

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