2023 年諾貝爾物理學獎表彰了三位研究人員利用阿秒級光脈衝所做的工作，這些工作徹底改變了對電子快速運動的研究，拓寬了物理和化學各領域的認識。由三位研究人員組成的小組獲得了2023年諾貝爾物理學獎，他們的工作徹底改變了科學家研究電子的方式–用阿秒長的閃光照亮分子。但是，阿秒到底有多長，這些無限短的脈衝又能告訴研究人員有關物質性質的什麼資訊呢？

我第一次了解到這一研究領域還是在讀物理化學研究生的時候。我的博士生導師的研究小組有一個項目，專門用阿秒脈衝研究化學反應。在了解阿秒研究為何能獲得科學界最負盛名的獎項之前，我們先來了解一下什麼是阿秒脈衝光。

阿秒有多長？

“阿托”是科學記數法的前綴，代表10-18，即一個小數點後跟17 個0 和一個1。因此，持續一阿托秒或0.00000000000001 秒的閃光是極短的光脈衝。事實上，一秒中的阿秒數與宇宙年齡中的秒數相等。

與一秒相比，阿秒小得令人難以置信。圖片來源：©Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院

以前，科學家可以用飛秒（10-15）光脈衝來研究較重、運動較慢的原子核的運動。一千阿秒等於一飛秒。但在產生阿秒光脈衝之前，研究人員無法看到電子尺度上的運動–電子的運動速度太快，科學家無法在飛秒級別上準確解析電子的運動。

阿秒脈衝

電子在原子和分子中的重新排列引導著物理學中的許多過程，實際上也是化學各部分的基礎。因此，研究人員投入了大量精力來弄清楚電子是如何移動和重新排列的。

然而，電子在物理和化學過程中的移動速度非常快，因此很難對其進行研究。為了研究這些過程，科學家使用了光譜學，這是一種研究物質如何吸收或發射光線的方法。為了即時追蹤電子，研究人員需要一個比電子重新排列所需的時間更短的光脈衝。

泵浦探針光譜學是物理和化學領域的常用技術，可以使用阿秒光脈衝進行研究。

打個比方，想像一台只能拍攝較長曝光時間（約1 秒）的照相機。運動中的物體，如向相機跑來的人或飛過天空的鳥，在拍攝的照片中會顯得模糊不清，很難看清到底發生了什麼事。然後，想像一下使用1 毫秒曝光的相機。現在，之前模糊不清的運​​動將被很好地解析成清晰而精確的快照。這就是使用阿秒尺度而非飛秒尺度如何闡明電子行為的。

阿秒研究

那麼，阿秒脈衝可以幫助回答哪些研究問題呢？

首先，化學鍵的斷裂是自然界的一個基本過程，在這個過程中，兩個原子之間共享的電子會分離成未結合的原子。在這過程中，先前共享的電子會發生超快變化，而阿秒脈衝使研究人員有可能追蹤化學鍵的即時斷裂過程。

產生阿秒脈衝的能力–三位研究人員憑藉這項研究獲得了2023 年諾貝爾物理學獎–在2000 年代初首次成為可能，此後該領域持續快速發展。透過提供原子和分子的較短快照，阿秒光譜學幫助研究人員了解單分子中的電子行為，例如電子電荷如何遷移以及原子間的化學鍵如何斷裂。

在更大範圍內，阿秒技術也被用於研究電子在液態水中的行為以及固態半導體中的電子轉移。隨著研究人員不斷提高產生阿秒光脈衝的能力，他們將對構成物質的基本粒子有更深入的了解。

作者：Aaron W. Harrison，奧斯汀學院化學助理教授。