阿秒激光与量子点巧遇在诺贝尔奖

作者：彭鹏 刘博闻 高策

2023年度诺贝尔物理学奖与化学奖分别授予阿秒激光与量子点这两项微观尺度上的技术，以肯定其在前沿微观领域方向上做出的贡献。虽然它们是两个独立的领域，但是都在探索微观世界的极端尺度上发挥着关键的作用，并在宏观世界中影响我们的生活。

1959年，费曼(R. Feynman)在加州理工学院做了以“底部空间还很大” (There’s Plenty of Room at the Bottom)为题的演讲[1]：“当我们进入一个非常非常小的世界，我们将会发现很多新的东西，它们代表着全新的设计机会。在小尺度上，原子的行为与大尺度上的任何物体都不同，因为它们遵循量子力学的法则。所以，当我们深入微观世界摆弄原子的时候，我们可以期望通过不同的定律，用不同的方式做不同的事情。”受到当时技术的限制，人们还无法将费曼的量子力学构想付诸实践，但是随着科技的演进，构想已经成为现实，并且在很大程度上影响着宏观世界的发展进步。

自古以来，人类就对光十分推崇，并且从未停止对光的探索。随着科技的发展，我们不仅更深刻地理解了光的本质及其产生机制，还实现了对光的各种操控，更进一步还可以利用光对原子、离子等微观粒子进行操控。2023年度诺贝尔物理学奖授予阿戈斯蒂尼(P. Agostini)、克劳斯(F. Krausz)和吕利耶(A. L’Huiller)，表彰他们将产生阿秒光脉冲的实验方法用于研究物质的电子动力学。阿秒激光是一种脉宽在阿秒尺度的超短脉冲激光，可清晰地捕捉到如分子振动、原子运动、质子传递等超快过程，并可以瞬间达到超高的功率。2023年度诺贝尔化学奖授予巴旺迪(M. Bawendi)、布鲁斯(L. Brus)和叶基莫夫(A. Yekimov)，表彰他们在发现和合成量子点方面所作出的贡献。量子点是一种纳米级半导体，可以通过改变它的尺寸大小来控制其精确发出满足人们需要的五彩斑斓的光。阿秒脉冲激光和量子点代表了人类光学技术的新高度，同时二者的交汇融合为我们勾勒出世界的无限可能。

光的由来

1905年，爱因斯坦解释了光电效应：光是以单独的不连续光量子组成的，单光子能量与光频率成正比。原子内部的电子吸收足够的光子能量变为自由电子并逃逸出物体表面，使物体表面产生电流，这种电离过程即光电效应。吸收单个光子能量而发生的电子电离，被称为单光子电离;单个光子能量不足时，可通过增强入射光强度，使电子同时吸收多个光子，产生多光子电离。1913年，玻尔提出了原子模型，原子中的电子具有分立的能级，而当电子从高能级跃迁至低能级时会以光的形式释放能量。所以为了产生光，我们需要电子处于高能级，为了使处于低能级电子跃迁到高能级，不仅可以用光来激发，还可以通过电能来激发。

能级跃迁

不同运动的时间尺度

更进一步，爱因斯坦1917年首次提出激光的产生原理：受激辐射。一般将处于激发态的高能态粒子受到能量为该原子两级能量差的外来光照射向低能态跃迁并辐射光子的现象称为受激辐射。若要成功产生激光，粒子数反转是必不可少的前提，通常来说低能级的粒子多于高能级粒子，若要产生激光就需要外来光的激励，使低能级粒子被激发至高能级，从而实现粒子数反转。当高能级粒子向低能级跃迁时，会释放一个与激励光全同的光子，高能级粒子数多则可以实现光放大。1960年5月16日，梅曼(T. H. Maiman)成功研制出世界上第一台红宝石激光器，并发射出世界上第一道脉冲激光，脉宽为毫秒量级。上述理论的发展为2023年诺贝尔奖授奖成果奠定了坚实的基础。

极短时间的阿秒激光

根据持续时间的不同，激光可分为连续激光与脉冲激光。连续激光是指激光器输出的功率恒定(通常较低)的光束，由于其输出功率在较长时间内是稳定的，通常用于激光手术、激光通信等方面。脉冲激光是指激光器每隔一段相同的时间发射出的光脉冲，由于其脉宽较短，通常用于研究极短的物理化学过程，比如飞秒物理和飞秒化学等。脉宽是脉冲激光的重要参数，更短的脉宽使研究粒子运动成为现实;同时还意味着峰值功率更高，可促进非线性效应的产生，因此，科学家致力于产生更短的脉冲激光。

随着锁模、调Q、啁啾脉冲放大等技术的持续发展，科学家们可以产生飞秒级别的脉冲激光。1974年，伊彭(E. P. Ippen)等人发明腔外光栅对压缩技术，首次产生飞秒激光脉冲。通过飞秒激光人们可以观察到原子的运动，而想观察电子运动，则需要通过更短的阿秒激光来实现。

阿秒激光，一般是由飞秒激光作用于高非线性介质产生高次谐波来生成。高次谐波顾名思义就是原始激光频率整数倍的谐波。当飞秒激光穿过高非线性介质时，光子会激发介质中的电子而释放新光子，产生高次谐波辐射，在这个过程中也会释放阿秒激光。同时，高次谐波辐射与多光子电离之间有着重要联系。1979年，阿戈斯蒂尼等人首次观察到阈上电离现象，他观察到在强激光场中，原子中的电子吸收了比产生电离所需光子数更多的光子而发生电离。

三步模型（左图）隧穿电离：在强场的作用下，被束缚的电子通过隧穿效应变为自由电子；（中图）加速：电子在强场的作用下吸收动能而加速；（右图）复合：部分自由电子在加速后与母离子复合碰撞，并产生高次谐波辐射。

阿戈斯蒂尼团队生成阿秒脉冲链

1987年，吕利耶等人完成了第一个产生高次谐波辐射的实验，她的工作奠定了高次谐波辐射和阿秒激光的发展基础[2]。他们将Nd:YAG激光器产生的红外激光放大聚焦在气体靶上，并将激光脉冲照射到密度最高的气体处，使气体电离并产生高次谐波辐射。

1993年，科克姆(P. Corkum)等人在克尔德什(L. Keldysh)电离理论的基础上提出了半经典三步模型[3]，对吕利耶的实验进行了理论解释。

在前人的基础上，2001年，阿戈斯蒂尼等人首次生成了阿秒脉冲[4]。他们使用强钛蓝宝石激光束照射在氩气射流中产生高次谐波辐射，首次产生了脉宽250阿秒的阿秒脉冲链。实验结果证实了产生高次谐波辐射过程中阿秒脉冲的存在，并展示了操纵和控制谐波相位的潜力。

克劳斯团队产生孤立阿秒激光脉冲

同年，克劳斯团队首次制备并成功使用孤立阿秒激光脉冲观测原子中电子的运动[5]。他们将通过滤波片的两个光脉冲聚焦在氪气目标上产生高次谐波辐射，产生了脉宽650±150阿秒的脉冲，高次谐波的产生局限在一个激光周期内表明生成了孤立脉冲，他们并借此观察了电子运动过程。

2017年，沃纳(H. J. Wörner)团队在实验室中实现了当前世界上最快的43阿秒的阿秒脉冲激光。或许在不久的将来我们可以将时间尺度推进到仄秒(10-21秒)量级，但是由于不确定性原理的限制，激光的脉宽越短则会导致其频谱越宽。

极小尺度的量子点

阿秒激光的发展体现了人类对激光脉宽的极限操控，而量子点的发展则代表了人类对纳米极限尺度的操控。量子点是一种直径只有2~10纳米的半导体颗粒，其对于足球的比例就相当于足球对于地球的比例。量子点具有分立的量子化能谱，并且可以通过调整量子点的大小而改变其能谱，从而精确控制其发光的颜色，并且光谱极窄。基于量子点优异的光学性能，量子点在显示领域具有重要的应用价值，比如量子点电视。

1981年，叶基莫夫通过合成并研究硒化镉纳米颗粒的光学性质，首次发现并提出了量子点 。他首先通过化学溶液合成法制备出硒化镉纳米颗粒，随后进行了光谱研究，他发现硒化镉纳米颗粒材料呈现出离散的光谱特性，与同种大尺寸材料的能级结构和光学性质完全不同，这是量子效应的典型特征。他认识到这些纳米颗粒的大小处于纳米尺度，导致电子受到空间限制，能级量子化，因此表现出量子化的光学性质。

1983年，贝尔实验室的布鲁斯首次证明流体中自由漂浮粒子存在尺寸依赖这一量子效应。布鲁斯发现改变硫化镉的尺寸会导致其光学特性的变化，同时通过测定硫化镉对于不同波长激光的吸收强度及其辐射光谱，推断出了硫化镉的带隙能级信息，证明了其尺寸依赖效应。

量子点不同大小下的发光情况

1993年，麻省理工学院巴旺迪团队使用硫化镉、硒化镉和碲化镉等材料，通过精确控制反应条件，第一次成功合成了大小均衡的量子点，并通过核磁共振、电子显微镜、吸收光谱和荧光光谱等技术确定了量子点的尺寸、形状和光学性质。这意味着在有机溶液中合成大小均衡的量子点成为可能，为量子点的应用提供了更高的性能和可控性。

交汇与展望

往前追溯到普朗克提出黑体辐射、玻尔提出玻尔模型，以及爱因斯坦解释光电效应的年代，受到条件的限制，当时提出的部分概念只是理论推断，无法直接进行观测。而如今的阿秒激光、量子点等技术以及多种技术的结合可作为高精确度和高灵敏度的工具，用于揭示微观粒子的关键特性。

虽然阿秒激光与量子点处于两个不同领域，但它们都涉及光和电子在超快时间、极端微观尺度内的运动，所以时有交汇。不同学科、不同领域之间的交叉往往会摩擦出新的火花，为传统研究领域带来新的技术支撑、研究方法和突破可能。

在生物医学中，阿秒激光与量子点可以发挥关键的作用。不同大小的纳米晶体可以发出不同颜色的较稳定的光，可以通过量子点做荧光探针来代替目前的荧光染料。根据不同的需要选用不同的量子点与细胞相结合，当受到激光激发后，量子点会发出颜色不同且荧光强度足以使光学设备检测到的光，这样可以实现对细胞内部分子的检测与观察，有助于癌症、神经科学和药物筛选等领域的进一步研究与探索。基于此，量子点结合生物分子可以用于生物传感器的制备。阿秒激光的精确控制能力有助于提高传感器的灵敏度和准确性，用于检测生物分子、疾病标志物等。在医学中可以通过将药物载体与量子点结合，利用阿秒激光控制对药物的精准释放，来设计更有效的药物递送系统。这种系统可能有助于提高药物的靶向性和释放速度，减少药物的副作用。同时，阿秒激光与量子点化学的结合有望提高细胞治疗和组织工程领域的效率，可能有助于修复组织、促进细胞生长和再生。但这些潜在应用还处于研究阶段，需要进一步的实验和临床验证，以确定其在生物医学中的真实应用价值和潜力。

在材料学领域，随着二者的不断交融，材料尺寸减小、反应时间缩短，一系列的物理现象随之显现出来，这其中包括统计力学效应和量子力学效应。同宏观系统相比，许多材料的物理性质在微观尺度时会发生完全不同地改变。例如向纳米硅晶体中引入杂质(通常是其他元素)，可以改变其电子能带结构，使之从绝缘体变为导体，这个过程称为掺杂。纳米硅晶体也可以通过光激发法变成导体，当硅中的电子吸收光子能量时，电子会被激发到导带，从而产生导电性，这个过程通常应用于太阳能电池。在上述实验过程中可以用阿秒激光脉冲作为“高速摄像机”，从而清楚了解到纳米硅晶体从绝缘体变为导体的电子运动过程。

在光电器件中，取决于不同的研究问题，我们可以选用固态、溶液中的或者集成在纳米结构中的不同量子点实验品，将其放入能够与阿秒激光相互作用的实验装置中，激发量子点内的电子。量子点中的电子吸收能量变为激发态，随着时间的推移，激发态电子又会回落到基态或其他低能级态。该过程中量子点可能会发出可见光或近红外光导致颜色的变化，这个变色效应可以通过调整激光的参数，如脉冲强度、频率和持续时间来控制，进而用于光学器件、传感器和显示技术的制备。此时通过使用适当的光谱仪器，测量样品中光电子的动能和角度可以得到光电子能谱的信息，之后分析相关光电子能谱数据，可以得出有关量子点的电子结构、载流子动力学和电子激发态的信息，相应研究结果可以用于改进量子点材料的性能，实现对不同区域的染色与研究。

在激光领域，也常常涉及量子点本身独特的性质。在强激光场下，量子点的非均匀性和表面效应可以增强其本身的非线性光学性质，例如倍频效应：当一个光波传播经过非线性光学材料时，该材料能够将入射的单一频率的光波分裂成两个具有不同频率的新光波。这个过程中，一个光子分裂成两个光子，一个具有原来的光波频率，另一个具有原波的两倍频率。该性质可用于产生高次谐波，可以进一步扩展光源的频率范围，有助于研究光子与物质的相互作用。小尺寸和高效率的特性使它们成为能源转换领域的重要材料，由于量子点的尺寸与波长之间的对应关系，我们可以通过改变其尺寸来控制发光的波长，用于制造光探测器、光伏电池和光电二极管等光电子学设备。

阿秒激光与量子点也有助于量子信息科技领域的创新发展。高效稳定的单光子源是量子计算与量子通信的重要组成部分，自组装量子点具有极好的单光子性与光子全同性，可作为理想单光子源使用。此外，量子点也可以通过阿秒激光脉冲照射来精确产生纠缠光子对， 用作纠缠光源。量子点不仅具有高度的可控性，可以通过调控电压控制其电子自旋，而且还具有较长的相干时间，这使得其成为了量子比特的理想载体。一个量子点具有一个基态和多个激发态，通过阿秒激光操控激发态和基态之间的转换，可以实现量子门操作。在量子通信中，阿秒激光超短脉冲和高能量的特性使其成为制备量子比特和进行量子操作的理想光源，进而提升量子信息在不同节点之间的传输效率，推动建立更高效的量子通信网络。

综上，阿秒激光和量子点有很多重要交叉点，它们共同为我们提供了深入了解分子、原子和纳米材料性质和行为的能力，并将深刻地改变我们的生活。这种跨学科、跨领域的合作有助于推动不同领域的创新，同时交叉领域的前沿研究有望推动科学、技术和工程的发展，为新材料、新器件和新应用的产生提供有力支撑，有助于解决许多复杂的科学问题，从而进一步推动宏观世界科技的发展进步。

世界之大，远超过我们的眼界可以容纳的范围，然而，“大”是由最微小的细节掌控的，2012—2023年这12年间，作为全球自然科学类的最高奖项，诺贝尔物理学奖与化学奖大部分被授予在微观领域内进行伟大探究的科学家。细究获奖成果我们不难得出，评选诺贝尔奖的目光已从具有跨时代意义的先进理论转移至可以促进社会进步的前沿科技上来，并呈现出一种微观层面的科学逐渐技术化、产业化的趋势。人类宏观世界的科技进步往往受到物理或化学微观层面上跨越的深刻影响，比如半导体芯片与石墨烯材料。这些微观层面上的创新对人类的生产生活起到关键作用。

大自然本来没有学科，学科是人类研究自然的结果。人类早期社会把所有的科学知识都归于哲学，随着生产力和科学技术的进一步发展，科学逐渐从哲学中分化出来，并且学科分类日益细化。然而，当今随着人们需要解决的科研问题日益复杂，跨学科交叉融合成为科学发展的大趋势。阿秒激光与量子点的发展和应用体现了学科融合的意义与价值。基础科学的长足发展促使技术产生了极大的进步，整体呈现出一种交融的形势，这不仅有助于促进不同方向上思维和方法的交叉应用，同时，不同领域的专业知识相互渗透，不同领域专家之间的合作交流还可以拓展面对重大问题时的视角。随着科技不断更新迭代，跨学科交叉融合也将逐渐成为各国关注的重点研究方向、创新发展的推动力和前沿科技进步的源泉。

[本文相关研究得到自然科学基金青年科学基金项目(11904217)、国家社会科学基金重大项目(16ZDA113)、中国科协项目“全球量子信息产业布局及发展路径研究”、山西省科技战略研究专项(202204031401039)资助。]

彭鹏，副教授;刘博闻，硕士研究生;高策，教授：山西大学科学技术史研究所，太原 030006。pengpeng@sxu.edu.cn

Peng Peng, Associate Professor; Liu Bowen, Master Degree Candidate; Gao Ce, Professor: Institute for History of Science and Technology, Shanxi University, Taiyuan 030006.

[1]Feynman R P. There is plenty of room at the bottom. Engineering and Science, 1960: 22–36.

[2]Ferray M, L'Huillier A, Li X F, et al. Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases. Journal of Physics B, 1988, 21(3): L31-L35.

[3]Kern C, Zürch M, Spielmann C. Limitations of extreme nonlinear ultrafast nanophotonics. Nanophotonics, 2015, 4(3): 303-323.

[4]Paul P M, Toma E S, Breger P, et al. Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation. Science, 2001, 292(5522): 1689-1692.

[5]Hentschel M, Kienberger R, Spielmann C, et al. Attosecond metrology. Nature, 2001, 414(6863): 509-513.

关键词：阿秒激光 量子点 诺贝尔奖■

本文刊载于2024年第76卷第1期《科学》杂志（P21-P25）

《科学》杂志于1915年1月在上海问世，

早年由任鸿隽，杨杏佛，胡明复，赵元任等学者编辑写作，

是我国历史最长的综合性科学刊物。

杂志定位为高级科普期刊，致力于科学知识、理念和科学精神的传播，科学与人文互动，历史和前沿并举，为提升我国全民科学素质和建设创新型国家服务。 杂志现任主编为中国科学院院士白春礼先生，主办单位为上海科学技术出版社有限公司。

本文由科学杂志（kexuemag）原创并授权转载，本文版权归上海《科学》杂志所有，转载请注明。

本文转载自上海《科学》杂志2024年第1期。

本文转载自《科学杂志1915 》微信公众号

《物理》50年精选文章