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本文来自微信公众号:果壳 (ID:Guokr42),作者:中子星、窗敲雨、Steed、biu,编辑:Steed,原文标题:《他们发明了最快的光,能拍清楚电子的那种~》,题图来自:视觉中国
瑞典皇家科学院决定将2023年诺贝尔物理学奖授予:
皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini),美国俄亥俄州州立大学;
费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz),德国马克斯·普朗克量子光学研究所,德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学;
安妮·勒伊耶(Anne L’Huillier),瑞典隆德大学。
2023年诺贝尔物理学奖的3位获得者,因他们的实验工作而获此殊荣,他们的工作为人类探索原子和分子内部电子世界提供了新工具。皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·勒伊耶展示了一种创建极短光脉冲的方法,这些脉冲可以用于测量电子运动或能量变化的快速过程。
通过控制光与物质的相互作用,他们的开创性工作打开了研究自然界中最快过程的大门。这为理解生命的化学基础和开发新技术奠定了基础。
阿秒是什么?
阿秒(attosecond)和秒、分钟、小时一样,是一种时间单位,1阿秒等于10-18 秒。1阿秒特别特别短,目前认为宇宙的年龄大约是137亿年,从宇宙诞生到现在度过的秒,跟一秒里度过的阿秒数量相当。
或者换一个角度看,世界上跑得最快的物质是光,一秒就能跑30万公里,相当于绕地球七八圈;可是在一阿秒内,光连一纳米都跑不到,还不够绕原子跑一圈!
那么,为什么物理学家要研究阿秒这么短的时间呢?原因在于,物理学家想要知道物质内部的电子是怎样运动的。
我们可以从摄影的角度去理解。对于运动速度很快的物体,比如说射入木板的子弹、每秒能振翅80下的蜂鸟,如果我们用快门速度很慢的相机去拍摄,只能拍出模糊的拖影;只有快门速度足够快,比如说在1/1000秒,才能捕捉到物体运动的瞬间。
而对于物质内部的电子,它们运动的速度实在是太快了,已经快要接近光速的量级,运动的时间单位常常就是以阿秒为量级的,比如氢原子中电子绕核一周的时间大约是152阿秒。想要研究电子,我们需要一种特殊的“照相机”,它的“快门速度”要达到几个阿秒这么快。
这一届的诺贝尔物理学奖得主,就是找到了一种持续时间可以短到只有几十阿秒的光脉冲,作为拍摄电子运动的“快门”,让我们能够更深入了解微观世界的奥秘。
© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
高“泛音”帮助下制造更短的脉冲
在阿秒激光诞生之前,科学家就一直在为制造更短的光脉冲而努力着。但是他们遇到了一个困难,那就是很难把光脉冲的长度缩减到比一个光周期的时长更短。
光是一种电场与磁场变化产生的波,而一个光周期就是它完成一次波动所需要的时间。比如说,红光的波长约为700纳米,它以每秒约43万亿次的周期波动。在这种情况下,如果用传统的方法制造超短光脉冲,那么每一份光脉冲的时长无论如何都没法压缩到1飞秒(1000阿秒)以下——这样一来,它就无法用来观测运动极快的电子了。在上世纪80年代,科学家曾认为这种最短光脉冲的限制非常难以突破。
而突破限制构建阿秒脉冲的关键则在于,要使用波长很短的光,并把很多不同波长的光结合到一起。要想产生这些适宜的光,需要利用激光穿过气体时产生的一种现象,它名叫“气体高次谐波”。这里的谐波就像是拨动吉他琴弦时产生的泛音。
© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
1987 年,研究者安妮·勒伊耶(Anne L’Huillier)和同事让红外激光穿过惰性气体,成功制造出了这种激光“泛音”。与之前的实验相比,红外激光产生了更多、更强的“泛音”,这一研究结果为制造阿秒激光的后续研究奠定了基础。
逃逸电子产生泛音
当激光进入气体并影响其原子时,它会引起电磁振荡。这种振荡会扭曲将电子束缚在原子核周围的电场,让电子有机可乘逃逸出原子。然而,光的电场持续振荡,当它改变方向时,一个逃逸的电子可能会迅速返回到它的原子核。在电子逃逸期间,它从激光的电场中收集了大量额外能量,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能量。这些来自电子的光脉冲,就是实验中出现的“泛音”。
© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
光的能量与其波长相关。发出的“泛音”中的能量相当于紫外线,波长较人眼可见光短。因为能量来自激光的振荡,“泛音”的振荡将与原始激光脉冲的波长成正比。光与许多不同原子相互作用的结果,便是产生不同的光波,它们具有一组特定的波长。
一旦出现这些“泛音”,它们就会互相作用。当光波峰值重合时,光变得更强,但当一个周期的峰值与另一个的波谷重合时,光变得更弱。在恰当的情况下,“泛音”重合以致出现一系列的光脉冲,每个光脉冲只持续几百阿秒。物理学家在上世纪90年代就理解了这个理论,但直到2001年,对光脉冲的识别和测试才获得突破。
© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)和他在法国的研究小组成功产生并研究了一系列连续的光脉冲,就像一列带有多节车厢的火车。他们使用了一种特殊技巧,将“脉冲列车”与原始激光脉冲的延迟部分组合在一起,以了解泛音之间的相位关系。这个过程也让他们能测量脉冲列车中每个光脉冲的持续时间,他们看到每个光脉冲只持续250阿秒。
与此同时,费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)和他在奥地利的研究小组致力于一种技术,可以选择单个光脉冲——就像将一节车厢从火车上分离并切换到另一条轨道。他们成功分离出来的光脉冲持续650阿秒,该小组利用它来跟踪和研究电子被拉离原子的过程。
这些实验证明了阿秒光脉冲可以被观测和测量,并且也可以用于新的实验。
现在,阿秒世界已经触手可及,这些短暂的光脉冲可以用来研究电子的运动。现在有可能产生持续时间只有几十阿秒的光脉冲,而且这项技术还在不断发展。
研究电子运动,能拿来干嘛?
阿秒光脉冲技术使我们能够精确地测量电子从原子中被拉出的时间,并研究这个时间与电子和原子核紧密关系之间的关联。简单来说,我们现在可以看到电子在分子内部如何移动,而以前我们只能大致估计它们的平均位置。
阿秒光脉冲不仅可以帮助我们深入了解物质的内部工作原理,还可以帮助我们识别和研究各种物理事件。科学家已经使用这种技术深入探索了原子和分子的奥秘,而且这种技术在许多领域,从电子技术到医学,都有巨大的应用潜力。
举个例子,我们可以使用阿秒光脉冲来“推动”分子,这些分子会发出特定的信号。这个信号就像分子的指纹,告诉我们这是什么分子。这种技术的一个潜在应用就是在医学领域进行诊断。
本文来自微信公众号:果壳 (ID:Guokr42),作者:中子星、窗敲雨、Steed、biu,编辑:Steed