2023 年10 月3 日北京時間17 時45 分許，2023 年諾貝爾物理學獎授予法國科學家皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），匈牙利裔奧地利科學家費倫茨·克勞斯（ Ferenc Krausz）和法國/瑞典科學家安妮·呂利耶（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衝的實驗方法」。

皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），1968 年獲得法國艾克斯-馬賽大學博士學位，現任美國俄亥俄州立大學教授。

費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz），1962 年出生於匈牙利莫爾。1991 年獲得奧地利維也納科技大學博士學位，現任德國加興馬克斯普朗克量子光學研究所所長，德國慕尼黑路德維希馬克西米利安大學教授。

安妮·呂利耶（Anne L’Huillier），1958 年出生於法國巴黎。1986 年獲得法國巴黎皮耶和瑪麗居禮大學博士學位，現任瑞典隆德大學教授。

光脈衝中的電子

今年的獲獎者在實驗中創造了足夠短的閃光，可以拍攝極快的電子運動的快照。安妮·呂利耶（Anne L’Huillier） 發現了雷射與氣體中原子相互作用的新效應。皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）證明，這種效應可以用來產生比以前更短的光脈衝。

一隻小小的蜂鳥每秒可以拍打翅膀80次，然而在我們看來，只能感覺到嗡嗡的聲音和模糊的翅膀動作。對於人類的感官來說，快速的運動會變得模糊，而那些極短的事件則無法觀測到——我們需要依靠特別的技術來捕捉或描繪這些非常短暫的瞬間。藉由高速攝影和閃光燈，我們得以捕捉到那些轉瞬即逝的現象的具體形貌。如果想要拍攝到飛行中蜂鳥的高清照片，那麼就需要曝光時間比蜂鳥的單次振翅還要短得多。如果要捕捉到越快的事件，需要的拍攝速度也越快。

同樣的原理也適用於所有用於測量或描述快速運動過程的方法：任何測量都必須比目標系統發生明顯變化的時間更快，否則就只能得到模糊的結果。今年的諾貝爾物理學獎得主在實驗中展示了一種產生光脈衝的方法，這種脈衝足夠短，足以捕捉原子和分子內部過程的圖像。

原子的自然時間尺度非常短。在分子中，原子可以在千萬億分之一秒（飛秒）內移動和旋轉，這些運動可以用雷射產生的極短脈衝來研究。但當整個原子運動時，時間尺度是由它們大而重的原子核決定的，與輕而靈活的電子相比，原子核的速度極其緩慢。當電子在原子或分子內部移動時，它們的移動速度非常快，以至於在飛秒尺度下都無法清晰描述了。在電子世界中，位置和能量以一到幾百阿秒的速度變化，而阿秒是10-18秒。

一阿秒非常短，一秒鐘內的阿秒數與138億年前宇宙誕生以來所經過的秒數相同。舉一個離我們生活更近的例子，我們可以想像一束光從房間的一端發射到對面的牆壁——這需要100億阿秒。

一直以來，飛秒被認為是可以產生的閃光的極限。只是改進現有技術還不足以看到電子在極其短暫的時間尺度上移動的過程——科學家需要一些全新的東西。而今年的得獎者開啟了阿秒物理學的全新領域。

電子在原子和分子中的運動非常快，測量尺度是阿秒量級。一秒鐘的一阿秒，就像宇宙年齡中的一秒一樣短。

高次諧波下更短的脈衝

光由波（電場和磁場中的波動）組成，它們在真空中的傳播速度比其他任何東西都快。不同波長的光錶現為不同顏色的色光。例如，紅光的波長約為700奈米，約為髮絲寬度的百分之一，每秒振動約430兆次。我們可以將最短的光脈衝視為光波中單一週期的長度，也就是光波上升到波峰、下降到波谷、再回到起點的一個週期。在這種情況下，普通雷射系統中使用的雷射波長永遠無法低於飛秒量級，因此在20 世紀80 年代，這被視為對最短光脈衝的硬性限制。

根據波的數學原理，如果使用足夠多的具有合適波長、頻率和振幅（波峰和波谷之間的距離）的波，我們可以建立任意波形。而阿秒脈衝的訣竅在於，透過組合更多和更短的波來產生更短的脈衝。

電子的運動極快，因此如果想在原子尺度上觀察電子運動，就需要足夠短的光脈衝，這意味著需要組合許多不同波長的短波。

要產生有史以來最短波長的光，我們需要的不僅僅是雷射器，最關鍵的是理解雷射穿過氣體時出現的一種現象。當雷射與氣體中的原子相互作用時，會產生一種諧波——原始波中每個週期完成多個完整週期的波。我們可以將諧波與賦予聲音特定特徵的泛音進行比較，泛音使我們能夠聽出吉他和鋼琴上演奏的相同音符之間的差異。

1987 年，法國一家實驗室的安妮·呂利耶和她的同事利用穿過惰性氣體的紅外線雷射光束展示了諧波的產生。與先前實驗中使用的波長較短的雷射相比，紅外光產生的諧波更多且更強。在這個實驗中，他們觀察到許多光強大致相同的諧波。

泛音對於基音中的每個週期都有多個週期。諧波在光波中的工作方式與泛音類似。

在1990 年代，呂利耶在隆德大學發表了一系列文章，繼續探索這種效應。她的研究結果有助於從理論上理解這一現象，為下一次實驗突破奠定了基礎。

逃逸電子產生諧波

當雷射進入氣體並影響其原子時，它會引起電磁振盪，扭曲原子核周圍電子的電場，可令電子從原子中逃逸出來。然而，雷射的電場是持續振盪的，當它改變方向時，鬆散的電子可能會衝回原子核。在電子的運動過程中，它從雷射的電場中獲得了大量額外的能量。為了重新回到靠近原子核的基態，電子必須以光脈衝的形式釋放多餘的能量。這些來自電子的光脈衝產生了實驗中出現的諧波。

雷射與氣體中的原子相互作用

實驗發現了雷射產生諧波的機制。它是如何運作的？

1.與原子核結合的電子通常無法從原子中逃逸，它沒有足夠的能量將自己從原子電場形成的位能井中拉升出來。

2.原子受到雷射脈衝的影響，其電場會扭曲。當電子僅被狹窄的勢壘所束縛時，量子力學允許其穿隧並逃逸。

3.自由電子仍然受到雷射電場的影響並獲得一些額外的能量。當電場轉動並改變方向時，電子會被拉回。

4.為了重新附著在原子核上，電子必須擺脫其在逃脫途中所獲得的額外能量。這種能量以紫外線的形式發射，其波長與雷射場的波長相關，並且根據電子移動的距離而有所不同。

光的能量與其波長有關。實驗發射出的諧波中的能量與紫外線相當，其波長比可見光的波長短。由於能量來自雷射的振盪，因此諧波的振盪將與原始雷射脈衝的波長形成了優雅的比例。光與許多不同原子相互作用的結果是形成一組特定波長的不同光波。

一旦這些諧波出現，它們就會相互作用。當光波的峰值疊加時，產生的光就會變得更強，但當一個光波的波峰與另一個的波谷疊加時，產生的光就不那麼強。在適當的情況下，諧波重合，從而出現一系列紫外光脈衝，其中每個脈衝的週期為數百阿秒。物理學家在20 世紀90 年代就理解了背後的理論，但真正的突破發生在2001 年，那時，科學家才真正辨識並測試了這個脈衝。

用最短的光脈衝探索電子世界：當雷射穿過氣體時，氣體中的原子會產生紫外光諧波。在適當的條件下，這些諧波可能是同步的。當它們的周期重合時，就會形成一個集中的阿秒脈衝。實驗設定範例：雷射被分成兩束，其中一束用於產生一系列阿秒脈衝。然後將該脈衝序列添加到原始雷射脈衝中，並將該組合用於執行極其快速的實驗。

皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和他在法國的研究團隊成功地製造出了一系列連續的、像是多個車廂串聯的火車一樣的光脈衝，並對其進行了研究。他們使用了一種特殊的技巧，將這個「脈衝列車」與原始雷射脈衝的延遲部分放在一起，以查看諧波如何彼此同步。他們還測量了「脈衝列車」中脈衝的持續時間，發現每個脈衝僅持續250 阿秒。

與此同時，費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和他在奧地利的研究小組正在研究一種可以挑選單個脈衝的技術——就像將火車上的一個車廂脫開並將其切換到另一條軌道一樣。他們成功分離出了持續650 阿秒的脈衝，該團隊用它來追蹤和研究電子脫離原子束縛的過程。

這些實驗證明阿秒脈衝可以被觀察和測量，它們也可以用於新的實驗。

現在阿秒世界已經觸手可得，這些短脈衝光可以用來研究電子的運動。現在可以產生低至幾十阿秒的脈衝，並且這項技術一直在發展。

電子的運動變得容易理解

阿秒脈衝可以測量電子被拉離原子所需的時間，並檢驗電子與原子核結合的緊密程度如何決定該時間的長短。我們可以在原子和材料中重建電子分佈，讓電子從一側振盪到另一側，或從一個位置振盪到另一個位置；在此之前，電子的位置只能用平均值來衡量。

阿秒脈衝可用於測試物質的內部過程，並識別不同的事件。這些脈衝已被用來探索原子和分子物理學的細節，並在電子、醫學等領域具有應用潛力。

例如，阿秒脈衝可用於推動分子，從而發出可測量的訊號。來自分子的訊號具有特殊的結構，這是一種可以揭示其「身份」的指紋，在醫學診斷等領域都可能具有潛在應用。