2023 年諾貝爾物理學獎肯定了利用雷射脈衝對超快電子運動的可視化研究。從影響化學反應到推動電子技術的發展，這項秒級研究具有巨大的潛力。電子在分子中移動似乎不像有趣電影的情節。但一群科學家將獲得2023 年諾貝爾物理學獎，他們的研究基本上是利用超快雷射脈衝追蹤電子的運動，就像用攝影機捕捉畫面一樣。

阿秒光脈衝有助於研究人員了解電子的運動。圖片來源：Greg Stewart/SLAC 國家加速器實驗室

然而，電子是原子的一部分，也是將分子中的原子黏合在一起的膠水。它們的速度要快得多。因此，像我這樣的物理學家用來捕捉它們運動的工具必須非常快–快到阿秒。

一阿托秒是十億分之一秒（10-18 秒）–一阿托秒與一秒鐘的比例就相當於一秒鐘與宇宙年齡的比例。

在攝影中，要清楚地拍攝到快速移動的物體，必須使用快速快門的相機或快速頻閃燈來照亮物體。透過快速連續拍攝多張照片，物體的運動軌跡就能清晰呈現。

快門或頻閃燈的時間尺度必須與物體移動的時間尺度相匹配，否則，影像就會模糊不清。當研究人員試圖對電子的超快運動進行成像時，這個概念同樣適用。捕捉阿秒級的運動需要使用阿秒頻閃器。2023 年諾貝爾物理學獎得主為產生這種阿秒雷射頻閃做出了開創性的貢獻。

想像一下，原子中的電子被一面牆限制在原子內部。當來自高功率飛秒雷射的飛秒（10-15 秒）雷射脈衝對準氬等惰性氣體的原子時，脈衝中的強電場會降低原子壁。

這是因為雷射電場的強度與原子核的電場強度相當。電子看到這道降低的壁，並在一種稱為量子隧道的奇異過程中穿過。

電子一離開原子，雷射電場就會捕獲它們，將它們加速到高能量，並將它們撞回它們的母原子。這一再碰撞過程產生了阿秒雷射。

那麼，物理學家是如何利用這些超短脈衝來製作阿秒尺度的電子電影的呢？

傳統的電影是一個場景一個場景地拍攝，每個瞬間都用攝影機捕捉為一個畫面。然後將這些場景拼接在一起，形成完整的電影。

電子的阿秒電影也採用了類似的理念。阿秒脈衝就像頻閃燈一樣，照亮電子，讓研究人員捕捉到它們的影像，一遍又一遍，就像電影場景一樣。這種技術被稱為泵浦探針光譜學。

然而，直接對原子內部的電子運動進行成像目前還很困難，不過研究人員正在利用先進的顯微鏡開發幾種方法，使直接成像成為可能。

通常情況下，在泵探光譜學中，一個”泵”脈衝使電子運動起來，並開始拍攝影片。然後，一個”探針”脈衝在泵脈衝到達後的不同時間點亮電子，這樣電子就能被”相機”（如光電子能譜儀）捕捉到。

電子運動的資訊或”影像”是透過複雜的技術捕捉到的。例如，光電子能譜儀可以偵測探針脈衝從原子中帶走了多少電子，光子能譜儀則可以測量探針脈衝被原子吸收了多少。

然後將不同的”場景”拼接在一起，製作出電子的阿秒電影。在複雜理論模型的幫助下，這些影片有助於從根本上深入了解阿秒電子行為。例如，研究人員以阿秒時間尺度測量了有機分子中電荷在不同時間的位置。這樣，他們就能在分子尺度上控制電流。

在大多數科學研究中，對某一過程的基本了解會導致對過程的控制，而這種控制又會帶來新的技術。好奇心驅動的研究可以帶來難以想像的未來應用，阿秒科學也可能不例外。

了解和控制電子在阿秒尺度上的行為，可以讓研究人員利用雷射來控制化學反應，而其他方法則無法做到這一點。這種能力有助於設計出現有化學技術無法製造的新分子。

改變電子行為的能力可實現超快開關。研究人員有可能在阿秒尺度上將電絕緣體轉換為導體，從而提高電子裝置的速度。目前，電子設備處理資訊的速度為皮秒級，即10-12 秒。

阿秒脈衝的波長很短，通常處於極紫外線（或稱為EUV）波段，可能會在半導體產業的EUV 微影中應用。極紫外光刻利用波長極短的雷射在電子晶片上蝕刻微小電路。

最近，自由電子雷射（如美國SLAC 國家加速器實驗室的林納相干光源）已成為明亮的X 射線雷射光源。這些雷射現在可以產生阿秒級的脈衝，為利用阿秒X 射線進行研究提供了多種可能性。

人們也提出了產生zeptosecond（10-21 秒）級雷射脈衝的想法。科學家可以利用這些比阿秒脈衝更快的脈衝來研究原子核內質子等粒子的運動。

隨著許多研究小組積極致力於解決阿秒科學中令人興奮的問題，以及2023 年諾貝爾物理學獎對其重要性的認可，阿秒科學將有一個漫長而光明的未來。