“阿秒”的诞生:让人类看到更精微的世界

作者: 龙海涛

来源: 百科知识

发布日期: 2023-12-28 08:38:18

2023年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家,他们发现了一种产生极短光脉冲的方法,可用于测量电子移动或改变能量的快速过程。阿秒技术是目前人类所掌握的最快的时间尺度,将人们研究物质结构的能力从分子、原子运动推进到了原子内部,对医学、材料科学、能源科学、物理、化学、电子学等领域的科研发展具有重要意义。

2023年诺贝尔物理学奖授予了美国俄亥俄州立大学名誉教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、德国马克斯·普朗克量子光学研究所教授费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)和瑞典隆德大学教授安妮·吕利耶(Anne L'Huillier)。过去,想捕捉电子的移动是不可能实现的事情,然而,这三位物理学家发现了一种产生极短光脉冲的方法,可用于测量电子移动或改变能量的快速过程。

瑞典皇家科学院指出,他们“证明了制造极短光脉冲——阿秒脉冲的方法,这种脉冲可用于测量原子和分子内部的电子运动或改变能量的快速过程,为人类探索电子世界提供了新工具”。

自然界里的各种物理过程,其运动的时间尺度是不同的。比如,人们用肉眼就可以清晰分辨出运动员划水的过程;子弹击穿苹果的过程虽然无法用肉眼捕捉,但是可借助高速摄像机拍摄后以慢动作呈现。相比之下,自然界微观世界的粒子运动更快,因此人类需要研制更细微、更精确的工具来观察物质世界。

人类在对自然界瞬态过程的探索中,陆续达到了毫秒(10-3秒)、微秒(10-6秒)、纳秒(10-9秒)、皮秒(10-12秒)和飞秒(10-15秒)的时间分辨。纳秒、皮秒和飞秒量级的脉冲激光器相继于1962年、1966年和1974年被研发出来。到了20世纪80年代,更低噪声、更高稳定性且如今应用最广泛的钛蓝宝石激光器问世。

皮秒可以观测到分子的运动,飞秒可以观测到化学反应中原子的运动,如果要更进一步观察电子以及原子核内的运动过程,就需要更小的时间单位。这时候出现了一个新的时间单位——阿秒。阿秒是目前已知的最小的时间单位。阿秒有多短暂呢?1阿秒是10-18秒。1阿秒之于1秒,相当于1秒之于宇宙的年龄(138亿年)。

阿秒光脉冲技术是目前人类所掌握的最快的时间尺度。相干光脉冲从皮秒进步到阿秒,不仅是时间尺度的简单进步,更重要的是将人们研究物质结构的能力从分子、原子运动推进到了原子内部,可以对电子运动和关联行为进行探测,从而可以引发基础物理研究的重大革命。

当今,在全世界的实验室里,阿秒级设备和装置越来越普及,正被科学家作为一种全新的测量工具来观察和理解电子、原子和分子的运动过程。这对于医学、材料科学、能源科学、物理、化学、电子学等领域的科研发展具有重要意义。

总之,阿秒技术将为我们提供更深入、更精确的微观世界的窗口,对很多领域产生深远影响,并将改变我们的生活。正如诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森所说:“我们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会了解控制电子的机制,下一步将是更好地利用它们。”

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