想像一下，能夠在不到十億分之一秒的時間內將材料從透明變為不透明，或重塑其屬性。魏茲曼研究所的研究人員已經開發出一種追蹤這些超快速變化的方法，使用一種巧妙的同步雷射脈衝方法。

透過觀察光在阿秒尺度上與物質的相互作用，科學家現在能夠看到強大的雷射如何改變物質內部的量子能階。這項突破為閃電般快速的計算、精確的材料控制，甚至觀察運動中的電子的新方法打開了大門，為應用技術和基礎物理學開闢了新領域。

瞬間將一種材料從不透明變為透明，或從導體變為絕緣體，聽起來可能像科幻小說，但它很快就會成為現實。近年來，科學家利用雷射以極快的速度控制物質的特性，只需要一個光波週期。然而，這些變化發生在阿秒時間尺度（十億分之一秒的十億分之一），因此很難觀察到。

現在，在《自然光子學》雜誌發表的一項研究中，魏茨曼科學研究所的Nirit Dudovich 教授及其團隊開發出了一種突破性的方法來追蹤這些超快的物質變化。這一阿秒科學（探索自然界中最快的過程的領域）的進步可能為超快計算和下一代通訊等技術打開新的大門。

Omer Kneller 博士（左）和Chen Mor 在雷射光束進入實驗裝置前進行引導。此實驗需要強大的雷射光束，能夠產生極短的阿秒光脈衝。圖片來源：Noa Yaffe

要理解其原理，不妨想像彩虹。當陽光穿過雨滴時，它會減速並彎曲，或折射。不同顏色的光以略有不同的速度穿過雨滴，散開形成彩虹。通常，我們認為玻璃或水等材料以固定的方式折射光線。然而，研究人員發現，強大的雷射可以改變材料減慢光速的程度，並且可以在極短的時間內做到這一點。

魏茨曼團隊提出，如果他們能夠測量光穿過材料時雷射引起的微小延遲，他們就能準確地揭示雷射如何能夠即時改變材料的特性。

以阿秒精度追蹤材料變化

這種新測量方法的開發由魏茨曼複雜系統物理系杜多維奇實驗室的三名研究生Omer Kneller、Chen Mor 和Noa Yaffe 領導。

此方法使用兩束雷射。第一束雷射非常強大，由相對較長的脈衝組成，可以改變光在特定材料中經歷的光學延遲。另一束雷射發射極短的阿秒脈衝，可充當慢動作攝影機。

這些阿秒脈衝有兩個副本：一個不與材料相互作用，作為參考；另一個穿過材料，與材料相互作用並記錄由這種相互作用引起的阿秒延遲。當兩個副本最終結合在一起並相互幹擾時，這種幹擾使研究人員能夠精確地重建光穿過材料時所經歷的光學延遲的變化。

（左）Omer Kneller 博士、Nirit Dudovich 教授、Chen Mor 和Noa Yaffe。圖片來源：魏茨曼科學研究所

在量子力學中，材料的性質由其能階決定，能階形成一種能量階梯。電子可以透過獲得或失去恰到好處的能量來上下移動。強大的雷射透過改變能階的位置來改變這個階梯；它可以讓兩個能階合而為一，也可以將一個能階一分為二。

就像Waze 等導航應用可以預測從A 點到B 點的旅程需要多長時間一樣，新方法透過測量阿秒脈衝所經歷的延遲來重建電子在不同能階之間行進的路線。反過來，分析電子的旅程可以讓研究人員了解材料中的能階如何響應雷射而改變。起初，科學家使用這種方法來了解雷射如何改變單個原子的性質。然而，他們也提出了理論計算，表明他們的新方法可用於揭示光與更複雜材料之間的相互作用。

「一旦我們能夠追蹤單一電子在能階之間的『旅程』，我們就可以利用光在數百甚至數十阿秒內精準地控製材料的特性，」杜多維奇說。 「這種能力可能會導致開發出最快的處理器，從而大大提高數據傳輸或處理的速度。我們的新方法也對基礎研究產生了影響：我們希望它能幫助我們創建運動電子的快照，揭示各種以前無法接近的量子現象。”

編譯自/ ScitechDaily