就像我們用光來觀察周圍的宏觀世界一樣，我們也可以用光來探測(cè)亞原子世界。但必須遵守一個(gè)原則：任何測(cè)量都必須快于被研究系統(tǒng)發(fā)生明顯變化所需的時(shí)間，否則只能得到模糊的結(jié)果。

在一個(gè)分子中，原子在飛秒(千萬億分之一秒，10^-15秒)時(shí)間尺度內(nèi)運(yùn)動(dòng)，其位置和能量在1到幾百阿秒內(nèi)發(fā)生變化，要對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，飛秒技術(shù)“愛莫能助”。

阿秒有多短暫呢？1阿秒是10^-18秒，也就是十億分之一秒的十億分之一。1阿秒之于1秒，相當(dāng)于1秒之于宇宙的年齡(138億年)。一束光從房間的一邊到達(dá)對(duì)面墻上，就需要100億阿秒。

阿秒脈沖“現(xiàn)形記”

如何讓光脈沖達(dá)到阿秒量級(jí)？理論上，可通過組合多個(gè)波長的短波長激光脈沖來產(chǎn)生更短的光脈沖。

中國科學(xué)院物理研究所研究員魏志義向科技日?qǐng)?bào)記者解釋道：“要產(chǎn)生新的波長不僅需要飛秒激光驅(qū)動(dòng)，還需要聚焦到氣體，通過光與氣體原子的相互作用產(chǎn)生所謂的高次諧波，高次諧波是在驅(qū)動(dòng)激光的一個(gè)周期中，產(chǎn)生兩個(gè)周期的波?！?/p>

1987年，呂利耶及其同事將一束紅外激光聚焦到惰性氣體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的諧波比之前用較短波長激光驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的諧波更多、更強(qiáng)，并且觀測(cè)到的許多諧波具有相似的光強(qiáng)。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)情況下，諧波重合后會(huì)出現(xiàn)一系列紫外波段的激光脈沖，其中每個(gè)脈沖時(shí)長僅幾百阿秒。

2001年，阿戈斯蒂尼及其在法國的同事成功產(chǎn)生了一系列僅持續(xù)250阿秒的脈沖串。費(fèi)倫茨·克勞斯和其在奧地利的伙伴們則另辟蹊徑，成功隔離出持續(xù)時(shí)長650阿秒的單個(gè)孤立光脈沖，而且用其跟蹤和研究了將電子從原子中“拉”出來的過程。

“正是以這3位科學(xué)家為代表的研究人員歷時(shí)十幾年的工作，通過聰明才智和不懈努力，使超快科學(xué)邁入了阿秒時(shí)代。”魏志義說。

有望在多個(gè)領(lǐng)域“大顯身手”

一只小小的蜂鳥每秒可以拍打翅膀80次，用人眼是無法看清的，但用高速攝像機(jī)就可將其動(dòng)作定格成一幀幀清晰的畫面。

“阿秒光脈沖正是研究微觀物質(zhì)世界的‘高速攝像機(jī)’，可將‘狂飆’的電子定格下來進(jìn)行觀察?！蔽褐玖x滿懷希望地表示，“在(阿秒)如此短的時(shí)間尺度上研究和理解電子，有望促進(jìn)超高速電子學(xué)的快速發(fā)展，有朝一日可能催生更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)芯片。它還使我們能夠根據(jù)分子的電子特性來區(qū)別分子，并用于快速準(zhǔn)確的疾病診斷。”

據(jù)魏志義介紹，目前國際上除上述研究團(tuán)隊(duì)外，美國、加拿大、意大利、瑞士、日本、韓國等國家的多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)也一直在開展關(guān)于阿秒脈沖的產(chǎn)生及其在物理、化學(xué)、生物等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

“如美國中佛羅里達(dá)大學(xué)常增虎教授團(tuán)隊(duì)先后于2012年及2017年兩次創(chuàng)造了最短阿秒脈沖的世界紀(jì)錄，瑞士聯(lián)邦技術(shù)大學(xué)于2017年創(chuàng)造的43阿秒脈沖迄今仍保持著目前最短的世界紀(jì)錄。特別是歐盟在匈牙利建設(shè)了以阿秒激光為主體內(nèi)容的極端光設(shè)施(ELI-ALPS)，用以提供不同領(lǐng)域的科學(xué)家開展阿秒科學(xué)研究”。對(duì)于阿秒領(lǐng)域的成果，魏志義如數(shù)家珍。

阿秒光脈沖的研究也得到中國科學(xué)家的廣泛重視。中國科學(xué)院物理研究所、上海光機(jī)所、西安光機(jī)所、北京大學(xué)、華東師范大學(xué)、國防科技大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位都在開展阿秒科學(xué)的研究。2013年，魏志義課題組首次在國內(nèi)產(chǎn)生并測(cè)得了160阿秒的孤立阿秒脈沖，目前正在進(jìn)一步朝著更短脈寬、更高能量及更高重復(fù)頻率的方向發(fā)展，結(jié)合終端設(shè)備，為阿秒激光在凝聚態(tài)物理、原子分子物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、信息、能源等領(lǐng)域的研究提供國際領(lǐng)先的平臺(tái)與設(shè)施。

(記者 劉 霞)