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2023诺贝尔物理学奖:他们用光脉冲,超越测量速度的极限


  来源: 环球科学 时间:2023-10-10 编辑:仪器仪表WXF
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2023 年 10 月 3 日北京时间 17 时 45 分许,2023 年诺贝尔物理学奖授予法国科学家皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini),匈牙利裔奥地利科学家费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)和法国/瑞典科学家安妮·吕利耶(Anne L'Huillier),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”。



皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini),1968 年获得法国艾克斯-马赛大学博士学位,现任美国俄亥俄州立大学教授。


费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz),1962 年出生于匈牙利莫尔。1991 年获得奥地利维也纳科技大学博士学位,现任德国加兴马克斯普朗克量子光学研究所所长,德国慕尼黑路德维希马克西米利安大学教授。


安妮·吕利耶(Anne L'Huillier),1958 年出生于法国巴黎。1986 年获得法国巴黎皮埃尔和玛丽居里大学博士学位,现任瑞典隆德大学教授。


光脉冲中的电子


今年的获奖者在实验中创造了足够短的闪光,可以拍摄极快的电子运动的快照。安妮·吕利耶(Anne L'Huillier) 发现了激光与气体中原子相互作用的新效应。皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)和费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)证明,这种效应可以用来产生比以前更短的光脉冲。


一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次,然而在我们看来,只能感觉到嗡嗡的声音和模糊的翅膀动作。对于人类的感官来说,快速的运动会变得模糊,而那些极短的事件则无法观测到——我们需要依靠特别的技术来捕捉或描绘这些非常短暂的瞬间。借助高速摄影和闪光灯,我们得以捕捉到那些转瞬即逝的现象的具体形貌。如果想要拍摄到飞行中蜂鸟的高清照片,那么就需要曝光时间比蜂鸟的单次振翅还要短得多。如果要捕捉到越快的事件,需要的拍摄速度也越快。


同样的原理适用于所有用于测量或描述快速运动过程的方法:任何测量都必须比目标系统发生明显变化的时间更快,否则就只能得到模糊的结果。今年的诺贝尔物理学奖获奖者在实验中展示了一种产生光脉冲的方法,这种脉冲足够短,足以捕获原子和分子内部过程的图像。


原子的自然时间尺度非常短。在分子中,原子可以在千万亿分之一秒(飞秒)内移动和旋转,这些运动可以用激光产生的极短脉冲来研究。但当整个原子运动时,时间尺度是由它们大而重的原子核决定的,与轻而灵活的电子相比,原子核的速度极其缓慢。当电子在原子或分子内部移动时,它们的移动速度非常快,以至于在飞秒尺度下都无法清晰描述了。在电子世界中,位置和能量以一到几百阿秒的速度变化,而阿秒是10-18秒。


一阿秒非常短,一秒钟内的阿秒数与138亿年前宇宙诞生以来所经过的秒数相同。举一个离我们生活更近的例子,我们可以想象一束光从房间的一端发射到对面的墙壁——这需要100亿阿秒。


一直以来,飞秒被认为是可以产生的闪光的极限。只是改进现有技术还不足以看到电子在极其短暂的时间尺度上运动的过程——科学家需要一些全新的东西。而今年的获奖者开辟了阿秒物理学的全新领域。


电子在原子和分子中的运动非常快,测量尺度是阿秒量级。一秒钟的一阿秒,就像宇宙年龄中的一秒一样短。


高次谐波下更短的脉冲


光由波(电场和磁场中的波动)组成,它们在真空中的传播速度比其他任何东西都快。不同波长的光表现为不同颜色的色光。例如,红光的波长约为700纳米,约为头发丝宽度的百分之一,每秒振动约430万亿次。我们可以将最短的光脉冲视为光波中单个周期的长度,也就是光波上升到波峰、下降到波谷、再回到起点的一个周期。在这种情况下,普通激光系统中使用的激光波长永远无法低于飞秒量级,因此在 20 世纪 80 年代,这被视为对最短光脉冲的硬性限制。


根据波的数学原理,如果使用足够多的具有合适波长、频率和振幅(波峰和波谷之间的距离)的波,我们可以构建任意波形。而阿秒脉冲的诀窍在于,通过组合更多和更短的波来生成更短的脉冲。


电子的运动极快,因此如果想在原子尺度上观察电子运动,就需要足够短的光脉冲,这意味着需要组合许多不同波长的短波。


要想产生有史以来最短波长的光,我们需要的不仅仅是激光器,最关键的是理解激光穿过气体时出现的一种现象。当激光与气体中的原子相互作用时,会产生一种谐波——原始波中每个周期完成多个完整周期的波。我们可以将谐波与赋予声音特定特征的泛音进行比较,泛音使我们能够听出吉他和钢琴上演奏的相同音符之间的差异。


1987 年,法国一家实验室的安妮·吕利耶和她的同事利用穿过惰性气体的红外激光束演示了谐波的产生。与之前实验中使用的波长较短的激光相比,红外光产生的谐波更多且更强。在这个实验中,他们观察到许多光强大致相同的谐波。


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