據報道，11月3日，國家重大科技基礎設施“先進阿秒激光設施”宣布正式啟動建設。
據悉，建成后，該設施應用終端覆蓋全面，具備阿秒級時間分辨能力和高度時空相干性?？蒲腥藛T基于這一設施，可利用阿秒激光的超短脈寬和高空間分辨率等特性，對包括高速光電器件、超導材料、光伏發電、光合作用等過程中的深層次超快動力學過程展開探索，為研究物理、化學、材料、信息、生物醫學等學科中的重大基礎科學問題提供嶄新的技術手段。
那么，究竟什么是阿秒？阿秒激光技術又是什么？阿秒激光技術未來具有哪些應用前景？請看本文解讀。
先進阿秒激光設施建設示意圖。資料圖片
突破時間測量的極限
想要了解“阿秒激光”，首先要知道“阿秒”是什么。
阿秒，是一個非常短的時間單位，突破了現有時間測量的極限。它比飛秒更短，是人類目前能夠掌握的最小時間尺度。如果以秒為單位進行量級類比，那么1阿秒等于10-18秒。
對于如此大的量級差距，有人做了這樣一個形象的類比：一束光從地球到達月球的時間約為1秒，那么在1阿秒的時間內，光只能傳輸0.3納米。這0.3納米的距離長度，約為一根頭發絲直徑的20萬分之一。由此，我們可以想見阿秒之短、之微、之快。
而阿秒激光，是指一種在阿秒時間尺度上閃爍的激光。按波長分類，它屬于紫外至軟X射線波段的激光；按輸出模式分類，其屬于脈沖激光。
阿秒激光的特點是脈沖持續時間極短，能用于觀測和控制原子、分子和固體中電子的超快動態過程。通過阿秒激光，科學家們可以像看電影的慢動作回放一樣，觀察電子在原子內部的運動，探究它們之間的交互作用。
2023年諾貝爾物理學獎，頒發給了3位在阿秒激光領域作出貢獻的科學家。不過，這幾位科學家雖然開發出了阿秒光脈沖產生和測量的實驗方法，但由于目前實驗水平有限，無法支撐3位科學家的科研成果在應用領域實現重大原始創新突破。在這樣的背景下，先進阿秒激光設施的出現，有望解決這一瓶頸問題。
事實上，20世紀末時，激光技術已經能夠產生飛秒級別的脈沖，而更大的挑戰則是如何突破飛秒的限制，進入阿秒級的時間領域。
這一突破，來自科學家在高次諧波生成領域的開創性研究。
一次激光電離氣體實驗，科學家發現，當激光通過惰性氣體時，會生成一系列稱為高次諧波的光信號。神奇的是，這些諧波的強度并不會線性下降，而是形成一個平臺區域。它們組合成的脈沖，竟達到了阿秒級的時域。
阿秒脈沖激光的出現，被認為是激光科學歷史上重要的里程碑之一。
從20世紀60年代第一道激光誕生開始，隨著技術的不斷發展，激光的脈沖寬度也在不斷縮?。?001年，奧地利維也納技術大學費倫茨·克勞茲教授領導的研究小組，首次在實驗中獲得了650阿秒激光脈沖；2012年，美國中佛羅里達大學研究團隊成功將飛秒激光脈沖激發氖氣形成高次諧波，獲得了67阿秒的超短激光脈沖；2017年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院科學家們又進一步將脈沖時間縮短到43阿秒……
我國的阿秒激光研究雖然總體起步較晚，但追趕迅速。
公開資料顯示，2013年，中國科學院物理所研究小組使用3.8飛秒的驅動脈沖獲得了160阿秒的孤立脈沖。
2021年，中國科學院西安光機所自主研制的高能量分辨阿秒條紋相機，產生了75阿秒的孤立阿秒脈沖，刷新了國內的阿秒脈沖紀錄。
科學家們成功將人類探索世界的時間尺度推進到阿秒量級，讓人類第一次擁有了可以用來直接測量電子動力學行為的工具。
揭示微觀世界的奧秘
人類認識運動世界的最初工具是自己的眼睛。慢慢地，人們發現只依靠眼睛認識世界具有很大局限性。
以觀看運動中的風扇葉片為例。
“工作中的風扇葉片旋轉方向是順時針還是逆時針？”
人類用肉眼無法判斷。如果拿手機去拍，大概率會得到風扇葉片運動的“殘影”。如果你拿高速攝像機去拍，就能拍到清晰的圖像，判斷風扇葉片的旋轉方向。
與這個道理類似，在阿秒激光出現以前，人們在拍攝電子時，得到的就是電子運動的“殘影”，無法判斷電子的許多性質。阿秒激光出現之后，人類開始有機會得到電子運動的清晰圖像，進而判斷這些電子的性質。
憑借前所未有的時間分辨能力，阿秒激光為人類打開了通向微觀世界的“時間之窗”，讓人類能夠在更精細的時間尺度上去“看”不同的現象。
需要注意的是，這里的“看”和我們肉眼借助光的反射來觀察物質并不一樣，而是收集并分析脈沖激光與物質相互作用的信息，進而成像。例如，科學家們使用阿秒脈沖串激光和紅外激光電離氖氣，再使用速度成像譜儀測量它們電離的電子能量分布，從而在阿秒尺度上獲得氖原子內的成像，“看”到了原子內的電子運動。
此外，科學家還將阿秒激光技術和電子顯微鏡技術相結合，將透射電鏡的時間分辨率從飛秒量級提高到阿秒量級，用于拍攝光與物質之間的超快相互作用。這也為光子集成電路或超材料的發展開辟了新道路。
諾貝爾物理學委員會主席伊娃·奧爾森說：“我們現在可以打開通往電子世界的大門了。阿秒物理學，使我們有機會了解電子控制的機制，下一步將是如何應用?！?/p>
憑借著超高的時間分辨能力，阿秒激光的科學意義巨大。
在原子分子物理領域，阿秒激光可以用來研究原子分子中的電子結構、動力學和相互作用，例如電子軌道成像、電子遂穿、電離、解離等過程。
在凝聚態物理領域，阿秒激光可以用于研究固體材料中的電子、自旋和磁性等物質的超快變化，例如電子相變、自旋動力學等。
在X射線科學領域，阿秒激光可以用來產生高亮度的軟X射線和硬X射線，從而實現X射線的時間分辨和空間分辨，例如X射線衍射、X射線發射等技術。
如今，阿秒激光技術已經成為物理、化學、生物等學科中重要的研究手段，世界上的許多國家都將其列為未來10年激光科學發展中重要的發展方向之一。
令人充滿期待的前景
時間就像一把尺子，尺子刻度越精細，測量的精度就越精細。與此同時，尺子刻度越精細，對制造尺子的工藝要求也越高，相應的投入也越大。
當前，世界主要科技強國都在加大對阿秒激光設施建設的投入。同時，隨著人工智能技術的不斷完善，未來人工智能或將與阿秒激光技術相結合，通過機器學習等方法更加準確地分析和理解相關觀測數據，推動多領域在研究上有新突破，在應用上有新拓展。
——生物醫學。聚焦的阿秒激光光束可以將相互作用區域限制在非常小的空間里，從而實現納米精度的操作。比如，在對組織和細胞進行顯微操作中，阿秒激光技術可以捕捉物質在極短時間尺度下的運動和變化，這有助于尋找新的治療靶點。再比如，應用阿秒激光技術檢測血液樣本中的蛋白質，可以幫助檢測癌癥的特征物質，進行早期癌癥篩查以及抗癌藥物的療效監測，為研發新型藥物和治療方案提供重要依據。
——材料精密加工。當前，制造技術逐漸向高精度、高效率、智能化方向發展，精密激光加工技術是實現這些發展方向的重要手段。阿秒激光技術具有超短的脈沖頻率，將其作為激光束對材料進行處理后，有助于提高制造材料的精度。在工作中，通過利用高能量密度激光束對材料進行局部加熱、熔化、切割，制造的材料具有精度高、可控性強的優點。
——電子科學?？茖W家或將通過阿秒技術催生更強大的計算機芯片，用于實現更快速的量子計算。在量子計算中，量子比特之間的相互作用非常關鍵，而阿秒級別的計時可以更好地揭示這些相互作用，在信息處理和通信領域應用潛力巨大。
——激光雷達。距離測量是軍事領域中一個極其重要的環節。無論是目標偵察還是炮火打擊，都需要精確的距離數據。而利用阿秒激光技術測距，可以大幅提高測量精度，且具有很強的抗干擾能力。如果將阿秒激光技術同現代光電探測技術相結合，便可構成先進的激光雷達系統。相較傳統雷達而言，這無疑將大大提升目標跟蹤、導彈制導、地形跟隨等任務的精度。
憑借超短的脈沖頻率和對快速運動過程的精確捕捉能力，阿秒激光技術在諸多領域擁有著廣闊的發展前景，為各行各業的創新發展提供了支撐?？梢灶A見，科學家們將在阿秒尺度上探明更多新奇物象的機理，推動基礎科學與應用科學的發展。
展望未來，當人類從阿秒尺度邁入更快的仄秒尺度，也許我們將會揭示粒子產生、核聚變等更快的動力學過程，去解決更加極限的問題。
相信人類對未知領域的無盡好奇與技術的不斷成熟，將一次次突破科學極限，并將其不斷應用于社會的更多領域，為我們的生產生活帶來更多積極的改變。（逯心一 楊秀全 臧朔陽）
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