去年10月3日宣布，三位杰出的科學(xué)家因其關(guān)于原子內(nèi)電子運動的研究而贏得了諾貝爾物理學(xué)獎，這種運動發(fā)生在極小的幾分之一秒內(nèi)。他們的研究揭示了這些快速電子在原子內(nèi)部扮演的重要角色，這影響了從物理學(xué)和化學(xué)到我們的身體以及我們每天使用的一切。

三位杰出的人士獲得了諾貝爾獎

• 皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）

法國實驗物理學(xué)家皮埃爾·阿戈斯蒂尼于1941年7月23日出生。他在阿秒科學(xué)和強場激光物理方面的開創(chuàng)性工作廣受認可。他的重要貢獻之一是發(fā)現(xiàn)了超閾值電離現(xiàn)象，以及發(fā)展了一種稱為“通過兩光子躍遷的干涉重建阿秒跳動”（RABBITT）的描述阿秒光脈沖的方法。

• 費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）

匈牙利-奧地利物理學(xué)家費倫茨·克勞斯于1962年5月17日出生，是阿秒科學(xué)（attosecond science）的專家。他在阿托物理領(lǐng)域的最重要貢獻之一是創(chuàng)造和測量了第一個阿秒光脈沖，這在使得原子內(nèi)電子移動性的研究成為可能方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，并代表了一個重大轉(zhuǎn)折點。

• 安妮·勒休里耶（Anne L’Huillier）

物理學(xué)家安妮·勒休里耶于1958年8月16日出生。她擁有瑞典和法國的雙重國籍。她在瑞典隆德大學(xué)擔任原子物理學(xué)教授。她帶領(lǐng)一個研究小組從事阿秒物理學(xué)的研究，實時探索電子的運動。這項研究在解釋原子級化學(xué)過程方面有現(xiàn)實世界的應(yīng)用。2003年，勒休里耶和她的同事們?nèi)〉昧艘粋€值得注意的成功，他們打破了最短激光脈沖的世界記錄，測量到僅有170阿秒。

對電子行為的量子飛躍理解

電子移動如此迅速，以至于對它們進行深入研究極具挑戰(zhàn)性。然而，在極短的時間內(nèi)，被稱為阿秒（0.000000000000000001秒），科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種觀察它們的方法。這是一個重大的發(fā)現(xiàn)，將助力未來科學(xué)家的研究。

簡單來說，諾貝爾委員會成員Mats Larsson表示

電子就像是我們所做一切背后的無名英雄。我們正在非常接近于理解和控制它們發(fā)生時的行為。

• 瑞典皇家科學(xué)院

瑞典皇家科學(xué)院表示，三位獲獎?wù)叩难芯繛槲覀兲峁┝诵碌墓ぞ?，以研究原子和分子中的電子。他們發(fā)明了一種制造超短光脈沖的方法。這讓我們能夠看到電子快速移動的情況，特別是當它們改變能級時。

• 圖片來源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

阿秒科學(xué)幫助我們探究重要問題，比如光電效應(yīng)發(fā)生的速度有多快。這個效應(yīng)是阿爾伯特·愛因斯坦在1921年贏得諾貝爾物理學(xué)獎的原因。

如何制造阿秒激光脈沖？

• 圖片來源：Greg Stewart/SLAC國家加速器實驗室

高次諧波產(chǎn)生是近紅外激光束擊中普通玻璃片的結(jié)果。這一過程產(chǎn)生的阿秒是極其短暫的激光光脈沖，比十億分之一秒還要短數(shù)十億倍。此外，與初始激光束中的光子相比，這些脈沖中的光子具有更高的能量。

讓我們放大來看這是如何發(fā)生的。即將到來的激光將玻璃原子中的電子（e-）逐出。這些電子隨后飛離，形成一個環(huán)路，然后要么重新連接到它們原來的原子（如右下所示），要么與鄰近的原子連接（如左上所示）。由于這些重新連接，玻璃發(fā)出一系列阿秒脈沖，這些是強烈的光脈沖。這些脈沖可用于研究電子如何穿過固體材料。

由磁場和電場的振動產(chǎn)生的波形成了光。這些波的波長對應(yīng)于不同的顏色。例如，紅光每秒完成超過430萬億次循環(huán)，其波長約為700納米，非常微小。光波從峰到谷再回到峰的一個完整周期是可能的最小光脈沖。標準激光系統(tǒng)無法產(chǎn)生小于飛秒的波長，這使得在1980年代生產(chǎn)極短光脈沖變得困難。

通過混合具有適當振幅（它們的峰和谷之間的距離）、波長和直徑的波，可以從數(shù)學(xué)上產(chǎn)生任何波形。產(chǎn)生阿秒脈沖的關(guān)鍵是結(jié)合更多更短的波長以創(chuàng)造更短的脈沖。這些極短的光脈沖，通過結(jié)合不同波長的短波產(chǎn)生，對于檢測原子尺度上電子的運動是必需的。

為了向光中添加額外的波長，我們不僅僅使用激光。還有一個涉及將激光通過氣體的技巧。當光遇到氣體中的原子時，會發(fā)生一些有趣的事情。它產(chǎn)生了泛音，這些泛音是額外的波，每個原始波的循環(huán)都會完成多個循環(huán)。這有點像不同樂器給相同音樂筆記帶來獨特的聲音。這種現(xiàn)象幫助科學(xué)家檢查極短的時刻，幾乎像是超級近距離地放大時間本身！

當激光與氣體中的原子相互作用時，會擾亂圍繞原子核的電場，產(chǎn)生電磁振動。結(jié)果有些電子可能從它們的原子中分離出來。盡管如此，光的電場從未停止脈動，如果它改變方向，一個釋放的電子可能會找到回到其原子中心的路徑。電子在此過程中從激光光的電場獲得更多能量。它必須以光脈沖的形式釋放這些額外的能量以重新加入核心。在測試中看到的泛音是電子產(chǎn)生的光脈沖引起的。

從海森堡的不確定性到阿秒精度

量子力學(xué)的早期支持者之一，維爾納·海森堡在1925年聲稱，看到電子繞氫原子軌道的時間長度是不可能的。從某種意義上講，他是正確的。與行星繞恒星旋轉(zhuǎn)不同，電子并不繞原子核旋轉(zhuǎn)。相反，物理學(xué)家將它們視為一種不精確的概率波，表明任何給定時間電子可能的位置。因此，追蹤電子在空間上的運動是不可能的。但海森堡沒想到的是，20世紀的科學(xué)家，包括勒休里耶、阿戈斯蒂尼和克勞斯會有多精明。探測到電子在特定位置的可能性變化極其迅速，如從一個阿秒到下一個阿秒。

長時間看來，沒有明顯的方法使光振蕩得更快，因此構(gòu)建更快的相機似乎是不可能的。但在1987年，安妮·勒休里耶及其同事們做出了一個了不起的發(fā)現(xiàn)。某些氣體暴露于光下，激發(fā)了氣體中的原子并使它們釋放出其他顏色的光，這些光的振蕩速度是初始激光脈沖的幾倍。物理學(xué)家對這一現(xiàn)象感到困惑，這種現(xiàn)象被稱為“泛音（overtones）”，因為鮮艷的顏色以不尋常的排列出現(xiàn)。

回到1990年代初，勒休里耶和她的團隊深入量子物理學(xué)，以理解原子是如何演奏不同的音符的。他們發(fā)現(xiàn)了一種混合這些音符以創(chuàng)建一個具有超快爆發(fā)的新波的方法，這些爆發(fā)發(fā)生在阿秒時間內(nèi)。這就像指揮一群原子完美和諧地一起演奏，就像交響樂團一樣。

多年來，科學(xué)家們利用這種對泛音的詳細知識，在實驗室中制造超快脈沖。阿戈斯蒂尼和他的團隊提出了一種他們昵稱為“Rabbit”的方法。它是“通過兩光子躍遷的干涉重建阿秒拍動”的簡稱。

• 通過兩光子躍遷的干涉重建阿秒拍動。

用阿秒脈沖，我們可以測量電子從原子分離所需的時間，以及這個時間與電子與原子核的結(jié)合緊密度有多大的依賴性。此外，我們可以重現(xiàn)材料和分子內(nèi)電子分布的振蕩，這使我們能夠超越之前確定它們平均位置的技術(shù)。這一研究主題在多個領(lǐng)域都有很大的潛力，如改善疾病診斷和電子產(chǎn)品。