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2023年物理学诺奖得主铸魂世界最快相机，带领人类进入阿秒时代

2023.10.04

　　10月3日，2023 年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）、安妮·吕利耶（Anne L’Huillier），表彰他们对于超快激光和阿秒物理科学的开创性工作。

　　三位诺贝尔物理学奖得主，均为实验物理学家。他们分别来自美国俄亥俄州立大学、德国马克斯·普朗克量子光学研究所、瑞典隆德大学。其中，65岁的安妮·吕利耶是诺贝尔物理学奖迄今第5位女性得主，2004年成为瑞典皇家科学院院士，曾在2022年与费伦茨·克劳斯一同获得被誉为“诺奖风向标”的沃尔夫奖。

　　诺贝尔奖官网显示，1987年，安妮·吕利耶发现，当她将红外激光透过稀有气体时，会产生许多不同的光泛音，她继续探索这一现象，为随后的突破奠定了基础。2001年，皮埃尔-阿戈斯蒂尼成功地产生并研究了一系列连续的光脉冲，其中每个脉冲只持续250阿秒。与此同时，费伦茨·克劳斯正在进行另一种类型的实验，分离出了持续650阿秒的单个光脉冲。

人类进入阿秒时代

　　24年前，1999年诺贝尔化学奖被授予使用当时世界上最快的“相机”的美国加州理工学院教授艾哈迈德·H·祖瓦伊勒（Ahmed H. Zewail）。他用飞秒激光看到反应过程中化学分子的过渡态。

　　而今，世界最快“相机”再次升级，速度加快千倍，从飞秒跨越到阿秒，“看到”分子中电子的运动，并斩获2023年诺贝尔物理学奖。

　　阿秒光脉冲（简称“阿秒脉冲”）是一束极短促的闪光，提供了一开一关极快的相机“快门”，能够“拍摄”到狂飙中的电子。

　　发明这种基础科学的新工具、新技术的科学家们，将人类带进了阿秒时代。

阿秒激光是什么？

　　阿秒是时间的单位，1阿秒等于10-18秒，阿秒之前有飞秒，飞秒是10-15秒。超快激光，指的是飞秒这一时间段，这一时间段很多的化学反应，可以实时记录，所以飞秒又叫分子摄影机，可以随时去看待化学反应的过程。

　　阿秒相对来说更厉害，它厉害之处在于它可以看到原子、原子核，阿秒科学其实是有一个非常重要的应用价值，它可以看到原子尺度内的很多的量子动力学现象，可以实时去探测。当然探测只是第一步，阿秒激光其实还没有真正成熟，我们如果能真正实现阿秒激光的话，就可以对它进行操控了，这个意义是非凡的。现在我们其实做出来的是阿秒脉冲，目前最短的阿秒脉冲应该是43阿秒。

阿秒脉冲不是最快的光

　　有人直观上认为阿秒脉冲是最快的光，所以能追踪飘忽运动的电子。

　　但实际上，在同一介质中，光速不变。

　　阿秒脉冲是最短的光脉冲。用最短的光脉冲可以探索电子世界。

　　如果简单地把电子看作是原子核周围的“超级跑车”或者子弹，那么阿秒脉冲如同开关很快的相机快门，可以将电子“拍摄”下来。

　　曝光时间之所以要短，是为了在快门一开一关之间，被拍摄对象几乎相当于是静止的，或者它移动的距离足够短，否则很难定格清晰的瞬间。

应用于超高灵敏度检测，或冲击下一个诺奖？

　　阿秒脉冲在材料科学和医学诊断等领域都有应用潜力。

　　三位获奖者最年轻的费伦茨·克劳斯，在做了阿秒脉冲的基础研究之后，把重心放到了血液检测上。他希望把对阿秒脉冲的计量方法拓展到血液检测中，希望带来一种超高灵敏度的检测技术。他做过一个实验：把一杯糖水的浓度不断稀释，稀释到现有所有商用检测手段都检测不出浓度后，再把它稀释1000倍，然后用费伦茨·克劳斯的方法还能检测出其含糖量。

　　费伦茨·克劳斯于1962年5月17日出生在匈牙利。

　　诺贝尔奖官网介绍称，费伦茨·克劳斯研究组已经迈出了生物应用的第一步。通过将宽带光学、超快激光源和精确的飞秒-阿秒场解析技术相结合，克劳斯研究组开发出了光电场分子指纹技术，可以检测生物流体分子成分的变化。这有望成为一种新的体外诊断分析技术，用于检测血液样本中痕量的疾病特征分子。它的最大优点是可以同时监测许多分子，而且辐射是非电离的，因此不会对人体造成伤害。

　　这种检测的原理实际上是对整个光场进行精确地扫描或检测，对相关光子的相位进行确认。“每个分子对它都有不同的振动频率”，如同分子指纹，所以这种方法可以在血液中检测非常多种类的分子。

　　有评论称，如果这种分子检测新方法获得成功应用，克劳斯甚至可能获得第二个诺奖。

　　目前，阿秒脉冲技术还需要更多学科的扩展和应用。我国在阿秒科学领域也有布局，从国家层面到中国科学院层面，都给予了关注和支持。中国科学院在青年团队计划中专门针对原子尺度阿秒超快动力学以及阿秒科学与技术等研究项目给予了稳定支持。

　　据中国科学院物理研究所微信公众号消息，2013年，中国科学院物理研究所魏志义课题组实现了160阿秒孤立阿秒脉冲测量实验结果，这是我国在阿秒科学领域的重大突破。随后，华中科技大学、国防科技大学和中国科学院西安光学精密机械研究所的研究团队也先后实现了阿秒脉冲的产生和测量。

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