據(jù)報道，11月3日，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“先進阿秒激光設(shè)施”宣布正式啟動建設(shè)。
據(jù)悉，建成后，該設(shè)施應(yīng)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(shè)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(dǎo)材料、光伏發(fā)電、光合作用等過程中的深層次超快動力學(xué)過程展開探索，為研究物理、化學(xué)、材料、信息、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科中的重大基礎(chǔ)科學(xué)問題提供嶄新的技術(shù)手段。
那么，究竟什么是阿秒？阿秒激光技術(shù)又是什么？阿秒激光技術(shù)未來具有哪些應(yīng)用前景？請看本文解讀。
先進阿秒激光設(shè)施建設(shè)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(xiàn)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(nèi)，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(fā)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(xù)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(tài)過程。通過阿秒激光，科學(xué)家們可以像看電影的慢動作回放一樣，觀察電子在原子內(nèi)部的運動，探究它們之間的交互作用。
2023年諾貝爾物理學(xué)獎，頒發(fā)給了3位在阿秒激光領(lǐng)域作出貢獻的科學(xué)家。不過，這幾位科學(xué)家雖然開發(fā)出了阿秒光脈沖產(chǎn)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(xué)家的科研成果在應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大原始創(chuàng)新突破。在這樣的背景下，先進阿秒激光設(shè)施的出現(xiàn)，有望解決這一瓶頸問題。
事實上，20世紀(jì)末時，激光技術(shù)已經(jīng)能夠產(chǎn)生飛秒級別的脈沖，而更大的挑戰(zhàn)則是如何突破飛秒的限制，進入阿秒級的時間領(lǐng)域。
這一突破，來自科學(xué)家在高次諧波生成領(lǐng)域的開創(chuàng)性研究。
一次激光電離氣體實驗，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(qū)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(xiàn)，被認(rèn)為是激光科學(xué)歷史上重要的里程碑之一。
從20世紀(jì)60年代第一道激光誕生開始，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，激光的脈沖寬度也在不斷縮?。?001年，奧地利維也納技術(shù)大學(xué)費倫茨·克勞茲教授領(lǐng)導(dǎo)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(xué)研究團隊成功將飛秒激光脈沖激發(fā)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(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)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(xué)院物理所研究小組使用3.8飛秒的驅(qū)動脈沖獲得了160阿秒的孤立脈沖。
2021年，中國科學(xué)院西安光機所自主研制的高能量分辨阿秒條紋相機，產(chǎn)生了75阿秒的孤立阿秒脈沖，刷新了國內(nèi)的阿秒脈沖紀(jì)錄。
科學(xué)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(xué)行為的工具。
揭示微觀世界的奧秘
人類認(rèn)識運動世界的最初工具是自己的眼睛。慢慢地，人們發(fā)現(xiàn)只依靠眼睛認(rèn)識世界具有很大局限性。
以觀看運動中的風(fēng)扇葉片為例。
“工作中的風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)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(fēng)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(fēng)扇葉片的旋轉(zhuǎn)方向。
與這個道理類似，在阿秒激光出現(xiàn)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(zhì)。阿秒激光出現(xiàn)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(zhì)。
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(xì)的時間尺度上去“看”不同的現(xiàn)象。
需要注意的是，這里的“看”和我們?nèi)庋劢柚獾姆瓷鋪碛^察物質(zhì)并不一樣，而是收集并分析脈沖激光與物質(zhì)相互作用的信息，進而成像。例如，科學(xué)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(nèi)的成像，“看”到了原子內(nèi)的電子運動。
此外，科學(xué)家還將阿秒激光技術(shù)和電子顯微鏡技術(shù)相結(jié)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(zhì)之間的超快相互作用。這也為光子集成電路或超材料的發(fā)展開辟了新道路。
諾貝爾物理學(xué)委員會主席伊娃·奧爾森說：“我們現(xiàn)在可以打開通往電子世界的大門了。阿秒物理學(xué)，使我們有機會了解電子控制的機制，下一步將是如何應(yīng)用?！?/p>
憑借著超高的時間分辨能力，阿秒激光的科學(xué)意義巨大。
在原子分子物理領(lǐng)域，阿秒激光可以用來研究原子分子中的電子結(jié)構(gòu)、動力學(xué)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(tài)物理領(lǐng)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(zhì)的超快變化，例如電子相變、自旋動力學(xué)等。
在X射線科學(xué)領(lǐng)域，阿秒激光可以用來產(chǎn)生高亮度的軟X射線和硬X射線，從而實現(xiàn)X射線的時間分辨和空間分辨，例如X射線衍射、X射線發(fā)射等技術(shù)。
如今，阿秒激光技術(shù)已經(jīng)成為物理、化學(xué)、生物等學(xué)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(xué)發(fā)展中重要的發(fā)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(xì)，測量的精度就越精細(xì)。與此同時，尺子刻度越精細(xì)，對制造尺子的工藝要求也越高，相應(yīng)的投入也越大。
當(dāng)前，世界主要科技強國都在加大對阿秒激光設(shè)施建設(shè)的投入。同時，隨著人工智能技術(shù)的不斷完善，未來人工智能或?qū)⑴c阿秒激光技術(shù)相結(jié)合，通過機器學(xué)習(xí)等方法更加準(zhǔn)確地分析和理解相關(guān)觀測數(shù)據(jù)，推動多領(lǐng)域在研究上有新突破，在應(yīng)用上有新拓展。
——生物醫(yī)學(xué)。聚焦的阿秒激光光束可以將相互作用區(qū)域限制在非常小的空間里，從而實現(xiàn)納米精度的操作。比如，在對組織和細(xì)胞進行顯微操作中，阿秒激光技術(shù)可以捕捉物質(zhì)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(yīng)用阿秒激光技術(shù)檢測血液樣本中的蛋白質(zhì)，可以幫助檢測癌癥的特征物質(zhì)，進行早期癌癥篩查以及抗癌藥物的療效監(jiān)測，為研發(fā)新型藥物和治療方案提供重要依據(jù)。
——材料精密加工。當(dāng)前，制造技術(shù)逐漸向高精度、高效率、智能化方向發(fā)展，精密激光加工技術(shù)是實現(xiàn)這些發(fā)展方向的重要手段。阿秒激光技術(shù)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(yōu)點。
——電子科學(xué)?？茖W(xué)家或?qū)⑼ㄟ^阿秒技術(shù)催生更強大的計算機芯片，用于實現(xiàn)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(guān)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(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。
——激光雷達。距離測量是軍事領(lǐng)域中一個極其重要的環(huán)節(jié)。無論是目標(biāo)偵察還是炮火打擊，都需要精確的距離數(shù)據(jù)。而利用阿秒激光技術(shù)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(shù)同現(xiàn)代光電探測技術(shù)相結(jié)合，便可構(gòu)成先進的激光雷達系統(tǒng)。相較傳統(tǒng)雷達而言，這無疑將大大提升目標(biāo)跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)、地形跟隨等任務(wù)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(shù)在諸多領(lǐng)域擁有著廣闊的發(fā)展前景，為各行各業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供了支撐。可以預(yù)見，科學(xué)家們將在阿秒尺度上探明更多新奇物象的機理，推動基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)的發(fā)展。
展望未來，當(dāng)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(chǎn)生、核聚變等更快的動力學(xué)過程，去解決更加極限的問題。
相信人類對未知領(lǐng)域的無盡好奇與技術(shù)的不斷成熟，將一次次突破科學(xué)極限，并將其不斷應(yīng)用于社會的更多領(lǐng)域，為我們的生產(chǎn)生活帶來更多積極的改變。（逯心一 楊秀全 臧朔陽）
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