阿秒激光：打开通向微观世界的“时间之窗”

据报道，11月3日，国家重大科技基础设施“先进阿秒激光设施”宣布正式启动建设。

据悉，建成后，该设施应用终端覆盖全面，具备阿秒级时间分辨能力和高度时空相干性。科研人员基于这一设施，可利用阿秒激光的超短脉宽和高空间分辨率等特性，对包括高速光电器件、超导材料、光伏发电、光合作用等过程中的深层次超快动力学过程展开探索，为研究物理、化学、材料、信息、生物医学等学科中的重大基础科学问题提供崭新的技术手段。

那么，究竟什么是阿秒？阿秒激光技术又是什么？阿秒激光技术未来具有哪些应用前景？请看本文解读。

先进阿秒激光设施建设示意图。资料图片

突破时间测量的极限

想要了解“阿秒激光”，首先要知道“阿秒”是什么。

阿秒，是一个非常短的时间单位，突破了现有时间测量的极限。它比飞秒更短，是人类目前能够掌握的最小时间尺度。如果以秒为单位进行量级类比，那么1阿秒等于10-18秒。

对于如此大的量级差距，有人做了这样一个形象的类比：一束光从地球到达月球的时间约为1秒，那么在1阿秒的时间内，光只能传输0.3纳米。这0.3纳米的距离长度，约为一根头发丝直径的20万分之一。由此，我们可以想见阿秒之短、之微、之快。

而阿秒激光，是指一种在阿秒时间尺度上闪烁的激光。按波长分类，它属于紫外至软X射线波段的激光；按输出模式分类，其属于脉冲激光。

阿秒激光的特点是脉冲持续时间极短，能用于观测和控制原子、分子和固体中电子的超快动态过程。通过阿秒激光，科学家们可以像看电影的慢动作回放一样，观察电子在原子内部的运动，探究它们之间的交互作用。

2023年诺贝尔物理学奖，颁发给了3位在阿秒激光领域作出贡献的科学家。不过，这几位科学家虽然开发出了阿秒光脉冲产生和测量的实验方法，但由于目前实验水平有限，无法支撑3位科学家的科研成果在应用领域实现重大原始创新突破。在这样的背景下，先进阿秒激光设施的出现，有望解决这一瓶颈问题。

事实上，20世纪末时，激光技术已经能够产生飞秒级别的脉冲，而更大的挑战则是如何突破飞秒的限制，进入阿秒级的时间领域。

这一突破，来自科学家在高次谐波生成领域的开创性研究。

一次激光电离气体实验，科学家发现，当激光通过惰性气体时，会生成一系列称为高次谐波的光信号。神奇的是，这些谐波的强度并不会线性下降，而是形成一个平台区域。它们组合成的脉冲，竟达到了阿秒级的时域。

阿秒脉冲激光的出现，被认为是激光科学历史上重要的里程碑之一。

从20世纪60年代第一道激光诞生开始，随着技术的不断发展，激光的脉冲宽度也在不断缩小：2001年，奥地利维也纳技术大学费伦茨·克劳兹教授领导的研究小组，首次在实验中获得了650阿秒激光脉冲；2012年，美国中佛罗里达大学研究团队成功将飞秒激光脉冲激发氖气形成高次谐波，获得了67阿秒的超短激光脉冲；2017年，瑞士苏黎世联邦理工学院科学家们又进一步将脉冲时间缩短到43阿秒……

我国的阿秒激光研究虽然总体起步较晚，但追赶迅速。

公开资料显示，2013年，中国科学院物理所研究小组使用3.8飞秒的驱动脉冲获得了160阿秒的孤立脉冲。

2021年，中国科学院西安光机所自主研制的高能量分辨阿秒条纹相机，产生了75阿秒的孤立阿秒脉冲，刷新了国内的阿秒脉冲纪录。

科学家们成功将人类探索世界的时间尺度推进到阿秒量级，让人类第一次拥有了可以用来直接测量电子动力学行为的工具。

揭示微观世界的奥秘

人类认识运动世界的最初工具是自己的眼睛。慢慢地，人们发现只依靠眼睛认识世界具有很大局限性。

以观看运动中的风扇叶片为例。

“工作中的风扇叶片旋转方向是顺时针还是逆时针？”

人类用肉眼无法判断。如果拿手机去拍，大概率会得到风扇叶片运动的“残影”。如果你拿高速摄像机去拍，就能拍到清晰的图像，判断风扇叶片的旋转方向。

与这个道理类似，在阿秒激光出现以前，人们在拍摄电子时，得到的就是电子运动的“残影”，无法判断电子的许多性质。阿秒激光出现之后，人类开始有机会得到电子运动的清晰图像，进而判断这些电子的性质。

凭借前所未有的时间分辨能力，阿秒激光为人类打开了通向微观世界的“时间之窗”，让人类能够在更精细的时间尺度上去“看”不同的现象。

需要注意的是，这里的“看”和我们肉眼借助光的反射来观察物质并不一样，而是收集并分析脉冲激光与物质相互作用的信息，进而成像。例如，科学家们使用阿秒脉冲串激光和红外激光电离氖气，再使用速度成像谱仪测量它们电离的电子能量分布，从而在阿秒尺度上获得氖原子内的成像，“看”到了原子内的电子运动。

此外，科学家还将阿秒激光技术和电子显微镜技术相结合，将透射电镜的时间分辨率从飞秒量级提高到阿秒量级，用于拍摄光与物质之间的超快相互作用。这也为光子集成电路或超材料的发展开辟了新道路。

诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森说：“我们现在可以打开通往电子世界的大门了。阿秒物理学，使我们有机会了解电子控制的机制，下一步将是如何应用。”

凭借着超高的时间分辨能力，阿秒激光的科学意义巨大。

在原子分子物理领域，阿秒激光可以用来研究原子分子中的电子结构、动力学和相互作用，例如电子轨道成像、电子遂穿、电离、解离等过程。

在凝聚态物理领域，阿秒激光可以用于研究固体材料中的电子、自旋和磁性等物质的超快变化，例如电子相变、自旋动力学等。

在X射线科学领域，阿秒激光可以用来产生高亮度的软X射线和硬X射线，从而实现X射线的时间分辨和空间分辨，例如X射线衍射、X射线发射等技术。

如今，阿秒激光技术已经成为物理、化学、生物等学科中重要的研究手段，世界上的许多国家都将其列为未来10年激光科学发展中重要的发展方向之一。

令人充满期待的前景

时间就像一把尺子，尺子刻度越精细，测量的精度就越精细。与此同时，尺子刻度越精细，对制造尺子的工艺要求也越高，相应的投入也越大。

当前，世界主要科技强国都在加大对阿秒激光设施建设的投入。同时，随着人工智能技术的不断完善，未来人工智能或将与阿秒激光技术相结合，通过机器学习等方法更加准确地分析和理解相关观测数据，推动多领域在研究上有新突破，在应用上有新拓展。

——生物医学。聚焦的阿秒激光光束可以将相互作用区域限制在非常小的空间里，从而实现纳米精度的操作。比如，在对组织和细胞进行显微操作中，阿秒激光技术可以捕捉物质在极短时间尺度下的运动和变化，这有助于寻找新的治疗靶点。再比如，应用阿秒激光技术检测血液样本中的蛋白质，可以帮助检测癌症的特征物质，进行早期癌症筛查以及抗癌药物的疗效监测，为研发新型药物和治疗方案提供重要依据。

——材料精密加工。当前，制造技术逐渐向高精度、高效率、智能化方向发展，精密激光加工技术是实现这些发展方向的重要手段。阿秒激光技术具有超短的脉冲频率，将其作为激光束对材料进行处理后，有助于提高制造材料的精度。在工作中，通过利用高能量密度激光束对材料进行局部加热、熔化、切割，制造的材料具有精度高、可控性强的优点。

——电子科学。科学家或将通过阿秒技术催生更强大的计算机芯片，用于实现更快速的量子计算。在量子计算中，量子比特之间的相互作用非常关键，而阿秒级别的计时可以更好地揭示这些相互作用，在信息处理和通信领域应用潜力巨大。

——激光雷达。距离测量是军事领域中一个极其重要的环节。无论是目标侦察还是炮火打击，都需要精确的距离数据。而利用阿秒激光技术测距，可以大幅提高测量精度，且具有很强的抗干扰能力。如果将阿秒激光技术同现代光电探测技术相结合，便可构成先进的激光雷达系统。相较传统雷达而言，这无疑将大大提升目标跟踪、导弹制导、地形跟随等任务的精度。

凭借超短的脉冲频率和对快速运动过程的精确捕捉能力，阿秒激光技术在诸多领域拥有着广阔的发展前景，为各行各业的创新发展提供了支撑。可以预见，科学家们将在阿秒尺度上探明更多新奇物象的机理，推动基础科学与应用科学的发展。

展望未来，当人类从阿秒尺度迈入更快的仄秒尺度，也许我们将会揭示粒子产生、核聚变等更快的动力学过程，去解决更加极限的问题。

相信人类对未知领域的无尽好奇与技术的不断成熟，将一次次突破科学极限，并将其不断应用于社会的更多领域，为我们的生产生活带来更多积极的改变。(逯心一 杨秀全 臧朔阳)