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阿秒脉冲和量子点：探索诺贝尔奖背后的物理学
2023年5月，世界卫生组织宣布COVID-19作为全球紧急卫生事件结束。
针对该病毒的疫苗以前所未有的速度问世。根据截止2023年8月的公开数据，疫苗的接种量已超过135亿剂，全球超过70%的人口至少接种了一剂。
现在，辉瑞生物技术公司(Pfizer-BioNTech)和Moderna公司COVID-19 mRNA疫苗研发的两位科学家获得了诺贝尔医学奖——他们是今年第一批获奖者。
匈牙利科学家卡塔林·卡里科(Katalin Kariko)和她的美国同事德鲁·魏斯曼(Drew Weissman)于1998年在排队复印机时相识，并开始合作。
2005年，他们克服了使用信使核糖核酸(mRNA)技术的一大障碍，开发出了“核苷碱基修饰(nucleoside base modifications)”技术，可以阻止免疫系统对实验室制造的mRNA发起炎症攻击。
魏斯曼说：“我们无法让人们注意到RNA是一种有趣的东西。几乎所有人都放弃了。”
卡里科是德国生物技术公司BioNTech的前高级副总裁兼RNA蛋白替代负责人，该公司与辉瑞公司合作开发了mRNA COVID-19疫苗。
瑞典卡罗林斯卡学院医科大学诺贝尔奖获得者大会表示：“在现代人类健康面临最大威胁的时期，获奖者们为疫苗研发的空前发展做出了贡献。”
10月3日，瑞典皇家科学院宣布了2023年诺贝尔物理学奖的获得者，以表彰他们在阿秒（10-18秒）时间尺度上产生光脉冲的研究成果。物理学家们在超快激光科学方面的开创性研究，开启了对原子、分子和材料中电子运动的研究——由于获得诺贝尔物理学奖的三位科学家的研究成果，今后也许可以更容易地检测出疾病的蛛丝马迹。
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)用光照照亮了原子和分子内部电子的运动，而这在以前是不可能的：他们三人创造出的超短脉冲光可以提供原子内部变化的快照，提供了一种有助于检测血液样本中疾病分子的工具。
为理解他们的成果，费伦茨·克劳斯表示，通常，物理学家利用飞秒光脉冲来跟踪分子中原子的运动，现在正在开发发射更短X射线爆发的源来研究和控制原子内电子的运动。
许多业余摄影爱好者在拍摄快速移动的物体时，会发现照片模糊得难以辨认，这让他们非常失望。最可能的原因是曝光时间不够短，无法定格运动。相比之下，现代超高速相机每秒可拍摄多达一百万张图像，能够捕捉人眼通常无法察觉的运动。通过将照片依次投射到屏幕上，可以慢动作重放动作。虽然这些技术非常适合研究宏观物体，但我们怎么可能跟踪原子和电子的运动呢？
跟踪原子和电子运动的动力来自许多科学技术领域。观察化学或生物化学过程的能力是引导反应的先决条件，而深入了解半导体结构中电子和空穴的动态则对加快电子设备的速度至关重要。在更基本的层面上，如果我们想了解受激原子内部发生了什么，并在X射线激光器等应用中利用这些过程，那么跟踪原子中的电子运动是必不可少的。
那么，为了捕捉原子和电子的动态，曝光时间必须有多短呢？令人惊讶的是，答案源于经典物理学，由原子的质量和原子周围的库仑力决定。例如，分子或晶格结构中原子核的运动可以用持续10-100飞秒（1 fs =10-15秒）的探针来追踪。同时，电子的质量较小，因此它们的运动相当敏捷。事实上，受激原子和分子中束缚电子的运动时间尺度为10-1000阿秒（1阿秒=10-18秒），因此需要阿秒探测器。
对原子进行定格拍摄所需的曝光时间比最快的高速相机所提供的曝光时间短一百万倍以上。在过去的十年中，由于激光的发明，这一巨大差距得以弥补：激光产生的闪光仅持续几飞秒。
物理学家可以利用超短闪光来触发动力学和照亮系统，从而精确地拍摄原子系统的演变快照。方法是用一个部分透射镜分割每个激光脉冲，并将能量较低的“探测”脉冲相对于能量较高的激发或“泵浦”脉冲进行延迟。这样，一个强大的飞秒激光脉冲就能在晶格中的数百万个分子或位点启动相同的微观过程。然后，脉冲的较弱部分（或频率偏移的复制品）可以在稍后时刻通过测量系统的光学特性变化（如吸收）来探测其动态。
通过使用一系列飞秒脉冲，并增加连续泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟，我们可以慢动作重放原子或分子动力学——这种方法被称为时间分辨或泵浦探针光谱学，时间分辨率仅受泵脉冲和探针脉冲持续时间的限制。
1990年，苏格兰圣安德鲁斯大学的威尔逊·西贝特发明了自锁模式激光器，物理学家现在可以利用这种激光器产生短于10 fs的常规脉冲；20世纪70年代开发的早期模式锁定激光器很难制造和操作。相比之下，在精心设计的激光腔中，自模式锁定会自然发生，这种激光腔采用了掺钛蓝宝石等固态放大器，这是20世纪80年代由麻省理工学院的彼得·穆尔顿(Peter Moulton)开发的一种激光介质。与此同时，布达佩斯固体物理和光学研究所的罗伯特·西波克斯(Robert Szipocs)和费伦茨·克劳斯于1993年设计出了专门的“啁啾”反射镜，可以进一步压缩脉冲。
利用这些技术，苏黎世联邦理工学院的乌苏拉·凯勒(Ursula Keller)和麻省理工学院的弗朗茨·卡特纳(Franz Kartner)及其同事开发出了能产生持续时间仅为5fs、波长为800 nm的脉冲的振荡器。换句话说，这些脉冲只包含两个周期的激光场。
这意味着光的波长限制了观察原子的时间分辨率，同时也限制了空间分辨率。有趣的是，物理学家在观察移动的原子时比观察固定的原子更容易。由于衍射极限，用可见光观察静止的原子是不可能的，而飞秒脉冲却能实时跟踪移动中的原子，与光速相比，原子的移动速度很慢，其位移仅为0.01纳米。
分子中原子间化学键的形成和断裂是影响我们生活的最重要的微观过程之一。超快激光脉冲使物理学家和化学家能够通过追踪模态原子的模态位移来跟踪这些飞秒过程；然而，在复杂的系统中，通过研究靠近原子核的核心电子，可以更精确地确定原子模态运动，但这需要X射线波长。
超快激光脉冲还能让我们测量化学键伸展和收缩的频率。不过，利用现有技术，例如通过测量红外辐射吸收率与频率的函数关系，可以更容易地在频域内测量分子振动。那么，超快激光有哪些优势呢？
与频域技术不同，超快激光可以获得振动模式的相对相位，这对于重建分子结构的动态变化至关重要。例如，这些时域测量可以确定哪个化学键首先断裂，以及化学反应的过程。此外，飞秒脉冲甚至可以控制化学反应，德国维尔茨堡大学的Gustav Gerber和Thomas Baumert就证明了这一点。
自从皮秒和飞秒激光被广泛应用以来，它们一直被用于研究半导体中电荷载流子的动力学。物理学家对限制集成电路速度的基本现象有了新的认识，从而得以拓展高速电子器件的极限。超短光脉冲可用于探索电子学的前沿领域，因为它们的速度远远快于现有的最快电子设备。
此外，超短光脉冲产生的太赫兹电场可以在电子仪器无法达到的时间尺度上诱导和控制集成电路中的电流。与目前的技术水平相比，这种能力将有助于把计算机的速度提高千倍。即使太赫兹电子技术成为现实，飞秒激光脉冲的速度仍然足以推动半导体技术的发展。
那么，我们能否通过提高泵浦探针光谱的分辨率，使其超过1飞秒，从而获得更多的好处呢？答案显然是肯定的——亚飞秒激光脉冲将使我们能够首次跟踪原子内部的过程。朝着这个方向迈出的第一步是产生和测量亚飞秒或阿秒级光脉冲。这些脉冲必须大大短于可见光的波周期，红光的波周期约为2fs。因此，需要更短的波长或更高的“载波频率”来产生亚飞秒光脉冲。
原则上，只要将以ω0 + NΔω角频率振荡的波相加，就能产生一连串短于λ/c的光脉冲，其中Δω是相对于激光基波的固定位移，ω0 = 2πc/λ，N是整数；结果是一系列强烈的尖峰，时间间隔为1/Δv = 2π/Δω。
这些尖峰脉冲的持续时间与频移Av和相加的波数成反比。这意味着，要利用有限的波数产生亚飞秒脉冲，Δv必须与可见光的频率相近。从概念上讲，这种技术与通常用于在激光谐振器中产生飞秒脉冲的锁模法密切相关。然而，两者的显著区别在于，用于产生亚飞秒脉冲的Δv必须比激光谐振器相邻模式之间的频率间隔大几个数量级。事实上，Δv必须大到任何激光器都无法放大所有这些频移波。产生这些波的唯一方法是使用非线性光学技术，而这种技术并不属于飞秒激光振荡器本身。
一般来说，可以利用两种非线性光学现象来产生与入射激光束相位相干但频率更高的波：受激拉曼散射和高次谐波产生。为了尽可能降低紫外线的色散和较短波长的吸收，这两个过程都是在气体中进行的。
当光线穿过气体分子时会发生拉曼散射。光可以激发分子中的振动或旋转能级，从而调节激光辐射。包括美国斯坦福大学的Alexi Sokolov和Stephen Harris在内的多个研究小组已经证明了受激拉曼散射产生亚飞秒脉冲串的潜力。如果拉曼模式的相对相位调整得当，只需要这一频谱的一小部分（包括蓝线、紫线和紫外线）就能产生一连串间隔为1/Δv ≈ 11 fs的亚飞秒脉冲。
利用高阶谐波生成技术将激光频率转移到极紫外，甚至可以产生“咆哮脉冲”。当线性偏振飞秒激光脉冲的高功率光束穿过原子气体时，就会产生这种现象。光脉冲的强电场可将电子从原子中撕裂并加速。当光场在下一个半周期逆转时，电子又会撞回离子，并以X射线光子的形式释放能量。这一过程在激光场的每半个周期内重复进行，从而在极紫外和X射线光谱中出现离散线。这些“高次谐波”的频率是驱动激光场频率的两倍，它们相互结合产生一连串的阿秒脉冲。
由阿姆斯特丹FOM原子和分子物理研究所的哈姆·盖特·穆勒(Harm Geert Muller)领导的法国和荷兰物理学家合作，直到2001年才获得了这种脉冲串存在的确凿实验证据：实验表明，利用钛蓝宝石激光器发出的40 fs泵浦脉冲，产生了一连串250 as脉冲。
遗憾的是，受激拉曼散射和高次谐波产生在泵浦探针光谱学中都有其缺点。脉冲之间的时间间隔太短，斯坦福实验中为11fs，阿姆斯特丹-巴黎研究中为1.3fs，以至于所研究的物理、化学或生物过程没有时间在下一个脉冲到来之前完全衰减并恢复到初始状态。因此，脉冲的高重复率对可研究的过程造成了不可接受的严重限制。
正如加拿大渥太华Steacie分子科学研究所的保罗·科库姆(Paul Corkum)在其关于阿秒光学的开创性建议中所指出的，显然只有从一连串脉冲中挑选出单个脉冲，泵浦探针光谱法才能从这些超快光源中获益。分离这种脉冲的最有希望的方法是在如此短的时间内驱动产生拉曼线的分子或发射高次谐波的原子，从而在产生过程中自然产生单脉冲——这就避免了从多太赫兹列车中选择单个脉冲的艰巨任务。
解决这一问题的方法之一是将20 fs的强脉冲通过充满气体的空心波导，这种装置是意大利米兰理工大学的Orazio Svelto和Sandro De Silvestri于1995年发明的。新出现的脉冲持续时间不到10fs，峰值强度超过100千兆瓦。具有这些特性的脉冲为产生亚飞秒单脉冲开辟了道路。
2001年，利用拉曼散射和高次谐波产生技术，在这一方向上迈出了成功的第一步。柏林马克斯-玻恩研究所的格奥尔格·科恩(Georg Korn)及其合作者将15 fs的紫光脉冲通过预先激发的振动频率为23 THz的氟化硫分子。结果产生了连续的边带，从而出现了波长为400 nm、持续时间仅为4fs 的单脉冲。
在另一项实验中，费伦茨·克劳斯的研究小组与德国和渥太华的研究人员合作，产生了波长为14纳米的单个软X射线脉冲。这些孤立的X射线脉冲是在氖原子气体中通过高次谐波产生的类似准直激光的光束，该气体暴露在包含几个激光场周期的强脉冲中，测得脉冲持续时间的上限约为2fs。
作为首次应用，克劳斯团队使用了一系列1.8 fs脉冲来捕捉用于产生X射线的7 fs激光的快照。这让团队首次解析了持续数飞秒的光脉冲的强度曲线（即形状）。
现在，物理学家已经接近在比可见光振荡周期短得多的时间尺度上控制电子的运动。
一旦具有稳定相位的放大高强度脉冲可用，强场过程（如光场电离或高次谐波发生）将使科学家们能够直接测量载流子包络相位。有了这个参数，再加上使用标准技术测量激光场的振幅和频率变化，就能确定和控制光波中电磁场的演变，甚至合成包含几个周期的任意光波形。
这样的波形可以让科学家控制电子脱离原子或分子后的运动。其直接后果包括通过高次谐波发生，可靠地产生和控制极紫外和软X射线波长的阿秒脉冲。在更高强度下，阿秒电子脉冲有可能加速到几兆电子伏特的能量。
由于这些X射线和电子脉冲与激光场的同步精度达到了阿秒级，科学家们将能够拍摄原子、分子和等离子体动力学不同阶段的快照。这些过程将由强场控制的光波触发和引导，并由X射线脉冲探测，从而使我们能够以原子长度尺度和阿秒级分辨率控制和重建电子运动。例如，通过这种方式，电子波包的运动轨迹可以从它从原子中射出的瞬间开始测量，并可针对不同的应用进行定制。这些应用可能包括开发更高效、波长更短的X射线激光器，或为下一代粒子加速器提供超快、单能量相对论电子脉冲源。
阿秒X射线脉冲还将为观察原子内部的电子运动铺平道路。例如，我们希望能够跟踪电子在强激光场作用下脱离束缚状态后一飞秒内的运动；还能以阿秒级的分辨率跟踪剩余束缚电子弛豫到新平衡态的过程。
一旦我们能够产生能量更高的阿秒脉冲，我们就能在泵浦探针光谱学中将其用作泵浦和探针。这样，我们就可以用强阿秒X射线脉冲选择性地从内壳移除电子，并用同一脉冲的较弱延时复制品探测内壳空位的填充情况，精确度优于1 fs。有必要这样做吗？为什么不直接依赖线宽测量得出的弛豫时间呢？答案很简单，超短强场对束缚电子动力学的影响——这对X射线激光器等应用非常重要。
超短闪光使我们能够拍摄微观粒子的快照，并重建它们的运动。最先进的飞秒激光器发射的脉冲足够短，足以解析分子和固体中的原子运动，以及半导体中的电荷载流子动力学。与此同时，专门定制的飞秒脉冲还能控制这些过程，并将在化学、生物化学和电子学中得到广泛应用。
克劳斯和他的同事专注于隔离超短脉冲的挑战，这是研究人员探测亚原子过程的要求。仅仅过了不到十年，这一领域就发展到了克劳斯和他的团队能够量化氖原子中电子的光电效应时间尺度的地步。研究人员利用一种名为“阿秒条纹(attosecond streaking)”的技术，将200阿秒脉冲与红外脉冲相结合：发现2p子壳的电离时间比2s子壳的电离时间长约21阿秒。六年前，勒惠利尔及其同事利用RABBIT技术解释了克劳斯的结果与理论的偏差。
最近，实验人员创造出了只有几十阿秒长的激光脉冲。LCLS科学、研究和开发部主任马蒂亚斯·克林(Matthias Kling)说，阿秒科学是在SLAC建立升级版Linac相干光源的主要动机——该设施采用了克劳斯开发的阿秒条纹技术。
今年，阿戈斯蒂尼、克劳斯和勒惠利尔将平分1,100万瑞典克朗（约合100万美元）的奖金。勒惠利尔是第五位获得物理学奖的女性，也是第一位与所有获奖者平分奖金的女性。玛丽·居里（1903 年）、玛丽亚·戈珀特·迈尔（1963 年）、唐娜·斯特里克兰德（2018 年）和安德烈娅·盖兹（2020 年）分别与一位男性同行平分了一半奖金，另一半奖金由一位男性获得。
这些工具的出现将预示着一个新的实验物理学时代的到来。对此，诺贝尔物理学奖评选委员会的伊娃·奥尔森(Eva Olsson)表示：“产生阿秒脉冲光的能力打开了微小、极其微小的时间尺度之门，也打开了通往电子世界的大门。”
2023 年的三位诺贝尔化学奖得主也因在微小尺度上的开创性工作而获得认可——纳米技术，创造出了微小的粒子、其特性由量子现象决定。
10月4日星期三，诺贝尔奖委员会宣布了2023年化学奖，表彰蒙吉·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、路易斯·布鲁斯(Louis E. Brus)和阿列克谢·埃基莫夫(Alexei I. Ekimov)“发现和合成量子点”。
20世纪80年代，阿列克谢·埃基莫夫通过氯化铜纳米粒子在彩色玻璃中实现了大小相关的量子效应；后来，路易斯·布鲁斯在悬浮液粒子中证明了这一点，而在1993年，蒙吉·巴文迪改进了量子点的生产，使其能够投入实际应用。
他们的获奖论文分别是：
原文链接：https://pubs.aip.org/aip/jcp/article-abstract/79/11/5566/446897/A-simple-model-for-the-ionization-potential?redirectedFrom=fulltext
原文链接：https://pubs.aip.org/aip/jcp/article-abstract/79/2/1086/776583/Quantum-size-effects-in-the-redox-potentials?redirectedFrom=fulltext
原文链接：https://pubs.aip.org/aip/jcp/article-abstract/80/9/4464/625449/Size-effects-in-the-excited-electronic-states-of?redirectedFrom=fulltext
量子点是一种由半导体材料制成的发光纳米粒子，目前已被广泛应用于从计算机显示器和电视屏幕到LED灯和最新的生物组织绘图技术等领域。研究人员早在20世纪30年代就预测，在几纳米大小的粒子中应该可以观察到与尺寸有关的量子效应。但当时还无法控制生产这种微小尺度的材料。随着20世纪的发展，人们首次在薄膜和块状材料表面观测到了量子效应——2000 年诺贝尔物理学奖授予了茹雷斯·阿尔费洛夫(Zhores Alferov)和赫伯特·克罗默(Herbert Kroemer)，以表彰他们在这类半导体异质结构方面所做的工作。
20世纪80年代初，阿列克谢·叶基莫夫在圣彼得堡瓦维洛夫国立光学研究所工作时，首次发现了纳米粒子中的量子尺寸效应。他当时正在进行氯化铜掺杂玻璃的实验。通过改变玻璃形成的温度和速度，叶基莫夫的团队可以控制在玻璃基质中形成的氯化铜晶体的大小。在对这些材料进行X射线实验时，他注意到氯化铜吸收线的波长随晶体大小的变化而变化，叶基莫夫将其归因于量子尺寸效应。
与此同时，路易斯·布鲁斯正在研究悬浮在液体中的半导体材料的胶体系统。1983年，布鲁斯在硫化镉颗粒实验中观察到量子尺寸效应，注意到胶体CdS的光学特性在一夜之间发生了变化，因为晶体溶解后析出的晶体大了约三倍。光谱分析显示，两组晶体的吸收行为存在差异，这表明量子尺寸效应的影响。
1993年，巴文迪开发出一种方法，可以生产出硒化镉晶体，并对其大小进行近乎完美的控制。这种方法是将有机金属前驱体注入热溶剂中。这种“热注入”技术使研究小组能够控制晶体的成核点，因为溶液会迅速过饱和，从而产生出大小几乎一致的量子点。这一发现为量子点在现实世界中的应用打开了大门。
利用这种方法和相关方法，研究人员现在可以制造出以不同波长发射和吸收的彩虹量子点溶液。量子点也是用“自上而下”的方法制成的：在表面上沉积纳米厚的薄膜，然后用电子束蚀刻或雕刻成纳米级的岛屿。
量子点现在用于制造彩色显示器和电视屏幕的发光二极管；量子点还用于太阳能电池，在太阳能电池中，光的吸收会刺激电子转移到导电材料上。量子点改变了生物成像，因为有些量子点是无毒的，可以用来荧光标记活细胞内的特定生物分子或结构。
量子点现已成为一个价值约40亿美元的产业基础。
伊利诺伊州西北大学的化学家查德·米尔金(Chad Mirkin)说：“我认为这是一个了不起的诺贝尔奖。它强调了纳米技术的核心理念，即一切在微型化后都会变得不同；这将打开纳米技术获奖的闸门，并验证25年前世界对纳米技术下的大赌注。”
瑞典皇家科学院也表示：“量子点正在为人类带来最大的利益。”研究人员相信，未来它们可以为柔性电子产品、微型传感器、更薄的太阳能电池和加密量子通信做出贡献——所以我们刚刚开始探索这些微小颗粒的潜力。
周四，世界上表演最多的剧作家之一乔恩·福瑟(Jon Fosse)荣获了诺贝尔文学奖。
这位多才多艺的挪威人的作品包罗万象，既有以简约风格创作的戏剧和小说，也有诗集、散文和儿童读物：他的戏剧作品已上演了1000多部，而他用“新挪威语”创作的作品已被翻译成40种不同的语言。
瑞典学院院士安德斯·奥尔森(Anders Olsson)说，福瑟的作品“触及了你内心深处的感受、焦虑、不安全感、生死问题......它具有某种普遍的影响力”。
随后，伊朗性别平权活动家纳尔热斯·穆罕默迪(Narges Mohammadi)于10月6日被授予诺贝尔和平奖。
未来的日子里，经济领域的诺贝尔奖得主将于10月9日揭晓，目前来看，每一位获奖者都为不断追求知识和进步增添了自己独特的光彩。
参考链接（上下滑动查看更多）：
[1]https://www.weforum.org/agenda/2023/10/mrna-vaccines-electrons-nobel-prizes-in-2023/
[2]https://physicsworld.com/a/from-femtochemistry-to-attophysics/
[3]https://www.quantamagazine.org/physicists-who-explored-tiny-glimpses-of-time-win-nobel-prize-20231003/
[4]https://pubs.aip.org/physicstoday/online/42759/Coming-Tuesday-The-Nobel-Prize-in-Physics-2023
[5]https://www.aip.org/science-news/nobel2023
[6]https://www.optica.org/about/newsroom/news_releases/2023/october/three_optica_fellows_awarded_2023_nobel_prize_in_physics_for_experimental_methods_enabling_attosecon/
[7]https://economictimes.indiatimes.com/news/international/world-news/agostini-krausz-and-lhuillier-bag-physics-nobel-for-study-of-electron-dynamics-in-matter/articleshow/104129394.cms
[8]https://www.wsj.com/story/the-nobel-prize-winners-2023-from-peace-to-medicine-0ac564d7
[9]https://physics.aps.org/articles/v16/174
[10]https://www.chemistryworld.com/news/explainer-why-have-quantum-dots-won-the-2023-nobel-prize/4018168.article
[11]https://www.bbc.com/news/science-environment-67005670
[12]https://economictimes.indiatimes.com/news/new-updates/nobel-prize-2023-here-are-fields-dates-and-winners-for-this-year/articleshow/104123373.cms
[13]https://www.washingtonpost.com/world/2023/10/03/nobel-prize-2023-winners-list/
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