據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，世界最快的激光脈沖能夠定格正在超速運行的電子和原子，美國亞利桑那大學(xué)的物理學(xué)家利用這種脈沖已經(jīng)捕捉到分子分裂、電子從原子里逃逸出來的動態(tài)畫面。他們的研究有助于我們更好地了解分子過程，并最終在很多可能的應(yīng)用中控制它們。
1878年，當(dāng)時的一系列照片立刻解決了一個長期存在的謎題：是不是正在飛奔的馬始終都有一部分身體接觸到地面？結(jié)果證明不是。愛德華-穆布里奇在賽馬跑道旁拍攝的這一系列圖片，標(biāo)志著高速攝影時代的開始。大約134年后，亞利桑那大學(xué)物理學(xué)系的研究人員解決了一個類似的謎題，這次是一個超速運行的氧分子取代了馬，超快、高能激光脈沖取代了穆布里奇的感光乳劑板。阿爾文-桑德胡及其科研組利用持續(xù)時間僅為0.0000000000000002秒的極端紫外線光脈沖，設(shè)法定格氧分子在很短時間內(nèi)被高能擊中后產(chǎn)生的超速動作。由于科學(xué)家正在試著從電子級別更好地了解量子過程，甚至最終控制這一過程，設(shè)計出新的光源，組合出新分子，或者是設(shè)計出新型超速電子元件，以及無數(shù)其他可能的發(fā)明，因此觀察原子和分子里發(fā)生的極短事件變得越來越重要。
雖然桑德胡的科研組在產(chǎn)生世界最短光脈沖方面，并不是世界紀(jì)錄保持者，但他們是最先把這些當(dāng)做工具，用來解決很多懸而未決的科學(xué)問題的人。該科研組的最新成果，是展示氧分子在吸收過多能量而無法保持兩個原子之間的穩(wěn)定性后，突然裂開的實時快照系列。該研究成果發(fā)表在《物理評論快報》上。揭開這么短時間內(nèi)的分子過程，有助于科學(xué)家更好地了解地球大氣層里的臭氧形成和被摧毀背后的微觀動態(tài)。桑德胡把這一原理比喻成是設(shè)法給快速飛向擊球手的棒球拍照。他說：“如果我們利用常規(guī)相機(jī)，拍到的照片會非常模糊，或者棒球根本顯示不出來。但是我們想很詳細(xì)地研究這個球，它的表面、它的縫合線，以及在任何特定時間它的確切位置。要做到這些有兩種方法。你可以制造一個擁有快門，能夠在球做任何運動前迅速開啟和關(guān)閉的相機(jī)。或者利用稱之為動態(tài)鏡檢查(Stroboscopy)的技術(shù)，你用光照射這個棒球很短時間，并在這個時間內(nèi)給它拍照。”
但是用原子或者電子取代棒球時，這種類比是不成立的。因為微觀物體的運行速度非常非常快，利用機(jī)械或者電子元件根本捕捉不到它們。桑德胡稱，定格原子級別的動作的唯一方法，就是利用持續(xù)時間只有幾毫微微秒或者阿秒(比毫微微秒短1000倍)的光脈沖。舉例說明這種光脈沖的持續(xù)時間，就是1阿秒相對于1秒，相當(dāng)于1秒相對于宇宙的年齡。為了產(chǎn)生阿秒時長的光爆，必須發(fā)出持續(xù)時間只有毫微微秒的強(qiáng)烈激光脈沖。桑德胡實驗室采用的毫微微秒激光脈沖釋放的能量是1太瓦，相當(dāng)于整個美國的電力網(wǎng)，只是前者持續(xù)時間非常短暫。雖然毫微微秒激光脈沖足以分辨分子運動，例如我們眼睛里的視紫紅質(zhì)，它們能在200毫微微秒內(nèi)改變結(jié)構(gòu)，對進(jìn)入眼睛的光子做出響應(yīng)，但是毫微微秒激光脈沖在捕捉更亮、運行速度更快的電子運動時，并不用“切開”它。
桑德胡實驗室的研究生尼蘭加-施瓦倫說：“我能在激光脈沖產(chǎn)生的強(qiáng)電場環(huán)境下，實時研究氦的原子結(jié)構(gòu)發(fā)生了什么變化。”桑德胡科研組把這項有關(guān)阿秒電子動力學(xué)的突破性研究的成果，發(fā)表在早些時候的《物理評論快報》上。在他們的最新研究中，該科研組已經(jīng)解決一個長期存在的爭論，即被高能光子擊中后，氧原子分裂需要1100毫微微秒。以前對這一現(xiàn)象的測量結(jié)果存在很大不同，最大相差100倍。這項研究的另一個創(chuàng)新之處，是它為測量電子擺脫超受激原子需要多長時間提供了方法。迄今為止這一過程只進(jìn)行了理論模擬。桑德胡的科研組發(fā)現(xiàn)，這種自發(fā)電子發(fā)射發(fā)生在大約90毫微微秒內(nèi)。他解釋說：“我們經(jīng)常假設(shè)，如果你把足夠多的能量輸入到一個分子里，就能迫使電子掙脫它的束縛。但是我們通過研究觀察到，分子把過剩能量轉(zhuǎn)移給周圍的其他電子和附近的原子，試圖與它們分享能量，保住它的電子，直到它突然分裂的最后一刻。”
研究生、這篇論文的第一作者亨利-提莫斯應(yīng)用阿秒激光研究氧分子的動態(tài)。他說：“我們對受激分子的物理性質(zhì)了解的不多，這是因為它們很難用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行模擬。你促使氧分子達(dá)到這種高能狀態(tài)時，它有多種途徑可以用來釋放過剩能量。我們能夠?qū)γ織l路徑進(jìn)行單獨分析，并分析電子脫離原子時會出現(xiàn)什么情況。”據(jù)桑德胡說，追蹤分子、原子和電子的運動，對了解天然或人造物體的物理及化學(xué)過程非常重要。他解釋說：“高能紫外線持續(xù)轟擊我們的大氣層，刺激它里面的分子。導(dǎo)致這些分子分裂成過激原子，這促使臭氧形成或分解。這些現(xiàn)象對了解上層大氣的化學(xué)性質(zhì)有分歧。能夠測量最短時間段內(nèi)分子內(nèi)的電子和原子的動態(tài)，對我們更好地了解這些分子的基本相互作用有幫助。不過更重要的是，它將為我們提供控制或改變這些原子或分子的動態(tài)性質(zhì)的方法，因為現(xiàn)在我們已經(jīng)擁有一種光脈沖，它能對實時運動產(chǎn)生影響。我們不再只是在這些現(xiàn)象發(fā)生后，才開始研究它們之間的相互作用。事實上我們正在設(shè)法了解這種互動，并力求控制它，例如控制某一方向的化學(xué)反應(yīng)。”
迄今為止產(chǎn)生的最短激光脈沖持續(xù)67阿秒。據(jù)桑德胡說，就連持續(xù)時間更短的“仄普托秒”激光脈沖也并非不可能產(chǎn)生，但是現(xiàn)在阿秒是人們關(guān)注的焦點。他說：“我們正在研究阿秒，是因為我們想了解比分子運動更快的過程。影響我們的生活的實際方面和我們身邊的技術(shù)，都受到電子和電子運動的制約。未來我們感興趣的問題，是很多電子彼此結(jié)合在一起，結(jié)果會出現(xiàn)什么情況？現(xiàn)在這方面的試驗具有很大挑戰(zhàn)性，理論性模擬根本不可能實現(xiàn)。這也是我們擁有高能和短時分辨率的原因。事實上現(xiàn)在我們已經(jīng)能夠?qū)崟r查看這些過程。”
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