阿秒光脉冲帮助研究人员了解电子的运动。图片来源:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室

2023年诺贝尔物理学奖表彰了利用激光脉冲实现超快电子运动的可视化。这种阿秒级的研究具有巨大的潜力，从影响化学反应到推进电子网卡技术。

电子在分子中运动可能看起来不像一部有趣的电影情节。但一组科学家将获得2023年诺贝尔物理学奖，因为他们的研究基本上是利用超快激光脉冲跟踪电子的运动，就像在摄像机中捕捉帧一样。

然而，电子在一定程度上构成了原子，并形成了将分子中的原子粘合在一起的粘合剂，它的运动时间与人的运动时间不同。它们要快得多。所以，像我这样的物理学家用来捕捉它们运动的工具必须非常快——阿秒级的快。

一阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一(10-18秒)——一阿秒与一秒的比例就像一秒与宇宙年龄的比例一样。

阿托秒脉冲

在摄影中，为了清晰地拍摄快速移动的物体，需要一台带有快速快门或快速闪光灯的相机来照亮物体。通过快速连续拍摄多张照片，可以清楚地分辨物体的运动。

快门或闪光灯的时间尺度必须与物体运动的时间尺度相匹配，否则图像将会模糊。当研究人员试图对电子的超快运动进行成像时，同样的想法也适用。捕捉阿秒尺度的运动需要阿秒频闪。2023年诺贝尔物理学奖获得者为阿秒激光频闪的产生做出了开创性的贡献，这是一种使用强大激光产生的非常短的脉冲。

想象一下，原子中的电子被原子壁限制在原子内部。当来自高功率飞秒激光器的飞秒(10-15秒)激光脉冲指向稀有气体(如氩气)的原子时，脉冲中的强电场会使壁降低。

这是可能的，因为激光电场的强度与原子核的电场相当。电子看到这个降低的壁，并通过一个奇怪的过程，称为量子隧穿。

一旦电子离开原子，激光的电场就会捕获它们，将它们加速到高能量，然后将它们撞回母原子。这一回忆过程产生了阿秒激光爆发。

阿托秒电影

那么，物理学家如何使用这些超短脉冲来制作阿秒尺度的电子电影呢?

传统的电影是一次拍摄一个场景，每个瞬间都用摄像机捕捉到一个画面。然后将这些场景拼接在一起形成完整的电影。

电子的阿秒电影使用了类似的想法。阿秒脉冲就像频闪一样，照亮电子，这样研究人员就可以在电子移动时一遍又一遍地捕捉到它们的图像——就像电影场景一样。这种技术被称为泵浦探测光谱。

然而，直接成像原子内部的电子运动目前是具有挑战性的，尽管研究人员正在开发几种方法，使用先进的显微镜使直接成像成为可能。

通常，在泵浦探测光谱学中，一个“泵浦”脉冲使电子运动并开始电影。“探针”脉冲在泵脉冲到达后的不同时间点亮电子，这样它就可以被“照相机”捕获，比如光电子分光仪。

电子运动的信息或“图像”是用复杂的技术捕获的。例如，光电子谱仪检测探针脉冲从原子中带走了多少电子，或者光子谱仪测量探针脉冲被原子吸收了多少。

然后将不同的“场景”拼接在一起，制作出阿秒电子电影。在复杂的理论模型的帮助下，这些视频有助于提供对阿秒电子行为的基本见解。

例如，研究人员在阿秒的时间尺度上测量了有机分子中电荷在不同时间的位置。这将使他们能够在分子尺度上控制电流。

未来的应用

在大多数科学研究中，对过程的基本理解导致对过程的控制，而这种控制导致新技术的产生。好奇心驱动的研究在未来可能会带来难以想象的应用，阿秒科学可能也不例外。

在阿秒尺度上理解和控制电子的行为可以使研究人员使用激光来控制化学反应，这是他们通过其他方式无法做到的。这种能力可以帮助设计出现有化学技术无法制造的新分子。

改变电子行为的能力可能会导致超快开关的产生。研究人员有可能将电绝缘体转换成阿秒级的导体，以提高电子设备的速度。目前电子学处理信息的速度是皮秒级，也就是10-12秒。

阿秒脉冲的短波长，通常是在极紫外，或EUV，制度，可以看到在半导体工业的EUV光刻应用。EUV光刻技术使用波长很短的激光在电子芯片上蚀刻微小的电路。

在最近的过去，自由电子激光器，如美国SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源，已经成为明亮的x射线激光的来源。它们现在产生阿秒级的脉冲，为利用阿秒级x射线进行研究开辟了许多可能性。

还提出了以10-21秒为尺度产生激光脉冲的想法。科学家们可以利用这些比阿秒脉冲更快的脉冲来研究原子核内质子等粒子的运动。

随着众多研究小组积极研究阿秒科学中令人兴奋的问题，以及2023年诺贝尔物理学奖对其重要性的认可，阿秒科学拥有一个漫长而光明的未来。

作者:Niranjan Shivaram，普渡大学物理学和天文学助理教授。

改编自一篇最初发表于The Conversation的文章。