10月3日，諾貝爾獎委員會宣布，將2023年諾貝爾物理學獎授予阿秒激光領域3位物理學家皮埃爾·阿戈斯蒂尼( Pierre Agostini)、費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和安妮·盧利爾（Anne L Huillier），以表彰他們“為研究物質中的電子動力學而產生阿秒光脈沖的實驗方法”所作出的貢獻。這也是對激光實驗技術特別是超快激光技術突破成就的又一次獎勵。
從時間域觀察微觀粒子動力學特性
一個閃光過程，可以描述為一個光脈沖。
所謂阿秒光脈沖，是指持續時間僅在阿秒量級，即100億億分之一（10-18）秒的光脈沖。人們所說的“快如閃電”，其實，最快的閃電所持續的時間也僅在百分之一到千分之一秒左右。由此，阿秒究竟有多短多快，以人們宏觀的體驗是難以想象的。光在1阿秒時間內所能傳輸的距離僅有0.3納米，約相當于3個氫原子的直徑。如果將1阿秒比之于1秒，那就相當于1秒之于宇宙約140億的年齡。
目前，利用最先進的電子顯微鏡，人們已經能夠看到原子的圖像，這是自然科學從空間域研究物理現象與規律的巨大進步。人們已知，組成物質世界的分子、原子及電子都處在絕對的運動之中，那么如何從時間域觀察這些粒子的運動即發生在微觀世界的動力學特性，也是人們研究并認識物理現象與規律的另外一個重要方面。1999年，美國加州理工學院埃裔科學家A. H. Zewail教授因首次用飛秒脈沖研究化學反應動力學的工作獨享諾貝爾化學獎。
一般來說，分子的振動及原子的運動在皮秒到飛秒的量級，用飛秒脈沖就可以研究不同分子及原子的動力學過程。但對于原子內繞核運動的電子，其時間在阿秒量級，如氫原子中電子繞核一周的時間約為152阿秒。原子結構模型是奠定現代物理學大廈的重要基石，也是量子力學的重要成就，但一直以來缺少對這一理論模型的實驗測量。阿秒光脈沖的出現，第一次為人們測量并控制電子的運動提供了前所未有的手段。由于核外電子運行是物理、化學、生物等不同學科都需要共同面對的基本科學問題，因此阿秒光脈沖的出現，在多個學科的前沿研究及應用方面都有著重要的科學意義及實際價值。
迎來超快科學阿秒時代
追蹤阿秒光脈沖的產生，與高次諧波（high-order harmonic generation, HHG）密不可分。
當激光作用于非線性晶體時，在特定的條件下會產生二次諧波，也就是所謂的倍頻。通常，這種效應需要滿足相位匹配條件，并需要激光有一定的強度。不同于常規激光，超短脈沖激光由于對應高的峰值功率及強度，因此當與物質相互作用時，即使沒有相位匹配的條件，也會激發出許多不同特性的非線性效應，如多光子效應、閾上電離、自相位調制等。1988年，法國原子和表面物理研究所的A. L' Huillier及M. Ferray等人在已有非線性效應研究的基礎上，采用脈沖36ps、峰值功率約1GW的Nd:YAG激光與Ar、Kr等原子氣體相互作用，觀察到了波長延伸至近30nm的極紫外HHG，并發現這種諧波具有兩個典型的特征：一是諧波均為入射激光頻率的奇次倍；二是諧波均由下降區、平臺區及截止區3個部分組成。這種極紫外相干輻射的產生，為人們獲得具有高光子能量的短波長激光提供了一種緊湊而經濟的新方案。
不久之后，匈牙利固體物理研究所的G. Farkas和C. Toth等人通過理論分析指出HHG是產生阿秒脈沖的可行方式，有望獲得100阿秒的超快激光。1993年，加拿大國家研究院的P. Corkum教授提出了三步模型理論，對其物理機制進行了合理而完美的解釋，在其后的研究中也進一步得出高次諧波具有阿秒脈寬的特性。
產生高次諧波的原理示意圖（引自Luis Plaja et al; Attosecond Physics-Attosecond--Attosecond Measurements and Control of Physical Systems, Springer Press, 2013）
那么如何通過HHG實現阿秒脈沖呢？
當時人們面臨著復雜的技術問題，一是HHG的效率極低，二是需要在真空中傳輸，三是沒有成熟的時間測量技術。因此在以實驗結果為依據的物理研究中，無法證明所產生的HHG具有阿秒脈寬。
直到跨入新世紀的2001年，首先由法國與荷蘭的聯合研究團隊在皮埃爾·阿戈斯蒂尼的主導下，在采用40fs的鈦寶石放大激光與Ar氣相互作用產生HHG的基礎上，通過時間飛行電子譜儀（TOP）及微通道板（MCP）測量隨延時變化的光電離電子，得到了脈沖寬度為250阿秒、相鄰脈沖間隔為1.35飛秒的阿秒脈沖串。但是，這種阿秒脈沖串在應用中存在很大的局限性，實際的應用研究需要孤立的單阿秒脈沖。
時隔不久，由時在維也納技術大學的F. Krausz教授領銜的一個更為強大的研究團隊與P. Corkum教授等合作，在用7fs的飛秒鈦寶石放大激光驅動Ne氣產生HHG的基礎上，采用互相關測量濾波后的極紫外光在Kr氣中產生的光電子動量分布，證明了150阿秒的時間分辨測量能力，獲得了650阿秒的單個孤立阿秒脈沖，并成功用以Kr原子內電子運動的測量。該結果的實現，標志著超快科學阿秒時代的來臨，次年被《自然》和《科學》雜志共同評選為年度十大科學進展之一。
250阿秒脈沖串測量結果（引自P.M.Paul et al; SCIENCE VOL 292, 1689 (2001)）
產生孤立單阿秒脈沖的實驗示意圖（引自F.Krausz and M.Ivanov, Attosecond physics, Rev of Mod Phys, Vol.81, No.1 (2009)）
未來高新技術產業創新發展策源地
隨著孤立阿秒脈沖的出現，人們進一步發展了不同的選通及測量技術，并推動了最短阿秒脈沖的不斷進展。如美國中佛羅里達大學常增虎教授的課題組先后于2012年及2017年兩次打破阿秒激光脈沖的世界紀錄，分別得到了67阿秒及53阿秒的孤立阿秒脈沖結果。歐盟也在匈牙利建設了以阿秒脈沖激光為平臺的極端光科學設施ELI-ALPS。
阿秒光脈沖的出現，為超快科學打開了更高分辨率的研究大門，通過測量控制電子的動力學特性，為進一步推動原子分子物理、凝聚態物理、化學、生物等諸多學科的創新發展提供前所未有的手段，可望對諸多物理現象的研究取得新認識，如超導的機理、磁學中自旋交換的本質、半導體中電子和空穴之間的電荷轉移機制。
由于物理、生物、化學等領域中的許多現象的本質都來自于原子內電子的運動，因此，在醫學領域，阿秒脈沖激光將有助于人們從根本上弄清包括疾病在內的微觀起因和形成過程，并用以新藥開發的指導。在能源領域，通過阿秒脈沖對材料中的電子運動過程的研究，可望提升光伏電池的效率。在信息領域，通過阿秒脈沖對材料電學性質的控制，已能實現PHz的開關速率，相比目前CPU普遍僅GHz的時鐘頻率，有望帶來信息處理及計算的革命，這些激動人心的工作，不僅是前沿基礎科學的熱點，也是與未來高新技術產業密切相關的內容。當然，目前阿秒脈沖主要還在實驗室發展階段，進一步的發展還需要科學家與工程技術人員的共同努力。
（作者：魏志義，中國科學院物理研究所二級研究員。首次在國內實現阿秒脈沖的產生測量，多項工作曾打破世界紀錄。迄今發表SCI論文400余篇。曾任國際純粹與應用物理聯合會（IUPAP）、馬科斯-普朗克阿秒科學中心（MPC-AS）、國際阿秒物理委員會、亞洲強激光委員會等學術機構成員，多次擔任該領域國際會議的主席及共主席。以第一完成人獲國家技術發明二等獎及中國科學院科技進步二等獎、科技促進二等獎等獎項。中國科學院青年科學家獎（2001）、國家杰出青年基金（2002）、胡剛復物理獎（2011）獲得者，先后當選美國光學學會fellow，中國光學學會及中國光學工程學會會士。）
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