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专家解读诺贝尔物理学奖:他们发明了看清微观粒子运动的“超快摄像机”2023/10/06
    有人这样形容阿秒激光脉冲,“不管你如何盯着它看,肯定无法看到它,因为它的持续时间实在是太短了。”1阿秒到底有多短?目前,人类能观测到的最长时间尺度是宇宙的年龄——约为140亿年;1阿秒等于10的负18次方秒。也就是说,1阿秒相比1秒,相当于1秒相比宇宙的年龄。

今天,2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·卢利尔,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”。这些实验为人类探索原子和分子内的电子世界提供了新的工具,可测量电子移动或改变能量的快速过程。

【第5位女性物理学奖得主】

“超快激光科学和阿秒物理领域非常重要,而且已经有了不俗的成果。”知名物理学者施郁在接受解放日报·上观新闻记者采访时说,此前他曾撰文猜测该领域有可能获得今年的诺贝尔物理学奖。有趣的是,他还成功预测了费伦茨·克劳斯和安妮·卢利尔的入选。

安妮·卢利尔成为诺奖历史上第5位女性物理学奖得主。她是法国/瑞典物理学家,隆德大学原子物理教授,一直从事原子和短强激光脉冲相互作用研究。她在巴黎大学获得数学和理论物理双硕士学位,博士论文研究的是实验物理。1987年,她参与了产生第一个高次谐波的实验,而高次谐波是产生阿秒脉冲的基础。此后,她持续探索着这一现象。

皮埃尔·阿戈斯蒂尼是法国艾克斯马赛大学博士,现为美国哥伦布俄亥俄州立大学教授。2001年,皮埃尔·阿戈斯蒂尼成功地产生了一系列连续的光脉冲,其中每个脉冲仅持续250阿秒。

费伦茨·克劳斯是匈牙利裔奥地利人,2004年起任慕尼黑大学物理学教授。上世纪90年代,他在维也纳技术大学时,就对用激光产生超短光脉冲感兴趣。在阿戈斯蒂尼和卢利尔研究的基础上,克劳斯在实验室里用高次谐波首次合成了单个阿秒激光脉冲。

值得一提的是,三位科学家和中国多位阿秒研究科学家有着紧密的合作,例如举办学术论坛、共同培养研究生等。

谈及对三位科学家的印象,复旦大学物理学系陶镇生教授表示,安妮·卢利尔待人友善和柔和,近年来活跃在国际会议上,她的课题组也一直有新的工作发表。费伦茨·克劳斯倾心前沿研究,最近转入了生物、医疗领域,他在演讲时特别喜欢用动画来演示。至于皮埃尔·阿戈斯蒂尼,则与另一位路易·迪毛罗教授共同指导课题组继续从事超快强场光物理的前沿研究。

【为何要制备阿秒激光脉冲】

“此次奖励的是三位物理学家的实验工作,安妮·卢利尔第一个通过实验产生了高次谐波平台区光谱,这是产生阿秒脉冲的实验技术基础,其他两位科学家观察到了阿秒脉冲产生的直接证据。”陶镇生告诉解放日报·上观新闻记者。

科学家为什么要在这么短的时间尺度内制备激光脉冲?上海交通大学物理与天文学院激光等离子体教育部重点实验室何峰教授告诉解放日报·上观新闻记者,人类认识自然界的一个古老方法是用眼睛看,然而为了看清一些非常快的过程,如子弹穿过苹果的瞬间,科学家发明了高速摄像机,用它来捕捉那些转瞬即逝的过程。而在微观世界,原子、分子等微观粒子的运动时间尺度比“子弹穿过苹果”要短得多。想要看清”这个过程,科学家就必须研制出能“看清”微观粒子运动的“超快摄像机”——阿秒激光脉冲。

“想象一下照相机的拍摄,快门把光切成一段一段,阿秒脉冲则把时间切到了10的负18次方秒这么短,通过光谱我们可以看到电子在原子周围高速运动。在这之前,激光器最快只能达到10的负15次方秒。”陶镇生说,这为基础科研提供了一个有力的新工具。就拿爱因斯坦曾获得诺奖的光电效应来说,之前人们并不清楚光电效应究竟是在多长时间内发生的,有了阿秒脉冲,这就明朗了。

【未来潜在的应用价值】

未来,阿秒激光脉冲有什么潜在的应用价值?

诺贝尔物理委员会主席伊娃•奥尔森表示:“我们现在可以打开通往电子世界的大门,阿秒物理学给我们提供了理解电子控制机制的机会,下一步将是利用它们。”例如,在电子学中,理解和控制电子在材料中的行为非常重要;阿秒脉冲也可以用于医学诊断来识别不同的分子。

陶镇生认为,它可以作为光波的示波器,从而扩展通讯带宽。

何峰说,它是人类认识自然的眼睛,在物理学、化学、生物学、材料学等很多学科领域将获得广泛持久的应用。以化学为例,化学反应中涉及到的化学键的合成和断裂,本质上是阿秒级时间尺度内带电粒子(电子,原子核)的相互作用。利用阿秒激光脉冲,科学家有望“看清”各种化学反应的过程,从而理解反应的机理,在此基础上研究如何控制反应过程,以获得新的产物。

与化学研究相仿,生物学、材料学等学科研究的对象,本质上也是微观粒子在阿秒级时间尺度内的相互作用。因此,阿秒激光脉冲具有广泛而重要的应用价值,是人类研究微观世界的“神器”。

近年来,上海建设了多个光子科学领域的大科学装置,其中就有产生阿秒激光脉冲的实验平台。我国科学家正在利用这种“国产”先进激光,开展前沿科技探索。来源:上观新闻

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