建个“高速摄影机”，我们一起“抓”电子！

新华社发

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在广东东莞阿秒科学中心实验室中，科研人员正在紧张地进行设备调试。图片为工作人员在调试应用于先进阿秒激光设施的高性能激光器。新华社发

新年伊始，传来好消息——国家重大科技基础设施先进阿秒激光正式启动工程建设。这一项目分为两个部分，东莞部分和西安部分，分别由中国科学院物理研究所和西安光学精密机械研究所建设。拟通过5年左右的时间，建设以阿秒时间分辨能力为主要特点的综合性超快电子动力学研究设施。这一设施波长覆盖极紫外、软X射线与太赫兹辐射等波段，拥有10条超快光束线和22个研究终端，能实现对电子运动和电子关联的跟踪测量和操控，进而解释物质状态演化规律，为实现基础研究的重大突破提供有力支撑。

阿秒究竟是什么秒？

1秒，很短。阿秒，更短——它是人类迄今为止能够掌握的最短时间单位，1阿秒仅为一百亿亿分之一秒(10-18秒)。我们知道，光速是人类已知的速度极限。1秒时间里，光可以穿越30万千米，相当于绕地球赤道7圈半；而在1阿秒内，光只能传播0.3纳米的距离，大概相当于一两个硅原子的长度。

在宏观世界中，我们很难想象这么短的时间里能发生什么事情。但在微观世界里，改变，就发生在1阿秒中——电子的运动可以用阿秒来测量。用学术的语言来说，电子运动的特征时间就是阿秒。

我们在日常生活中会接触到各种物理和化学现象，例如固体中的电流、超导现象、芯片中的计算、光伏发电、电灯发光、水结冰、电池放电、液晶屏显示、酒精杀死细菌等，其终极物理基础都是微观粒子的运动和相互作用。

而微观粒子也有大小之分。电子是常见的微观粒子中质量最小的，质子或原子核的质量约为电子的1000多倍。因此，在所有物理过程中，电子的速度比原子分子快得多。这也是为什么电子运动和电子关联，是最基础、最核心的物理过程。

特征时间在飞秒(也是时间单位，等于1000阿秒)或更长时间尺度下的原子和分子运动，其实发生在电子的运动之后，是电子运动的结果。就我们目前所知，电子是物质中首先响应、并推动其他微观粒子运动的原因。因此，要想真正透彻地了解这些物理现象，就必须研究电子的超快运动。

用什么来研究？方法很多。最直接的莫过于能“捕捉”电子运动的高速摄影机了。我们知道，在短跑、游泳等体育运动中，高速摄像机是一项利器。这种高速摄像机的时间分辨能力比人眼还强大，能捕捉到人眼无法观测到的每一个动作细节，拍成一帧帧照片，再进行有针对性的改善和提升。

要想给电子拍“纪录片”，就得研制与电子运动相匹配的设备——电子运动的特征时间在阿秒量级，就必须使用阿秒激光才能观测其运动。可以说，阿秒激光将人类探索世界的时间分辨率推进到了阿秒尺度，是一台能够捕捉电子运动的“高速摄影机”，深入到了电子动力学分辨的层次，开启了超快科学的新时代。

阿秒激光首次为人们提供了直接测量电子动力学的工具，能够“录”到电子运动的每一帧轨迹，为研究物理、化学、材料、信息、生物医学等学科中的重大科学问题提供了崭新的技术手段，有望在基础研究和产业技术领域催生颠覆性的、里程碑式的突破，因此建设先进阿秒激光设施具有重要的科学意义和国家战略意义。

阿秒激光是如何产生的？

那么，如此之短的阿秒激光该如何产生呢？它与我们日常生活中见到的火光、灯光，或是电脑屏幕发出的光都不一样；与普通激光的产生方式也不相同——阿秒激光源于电子的运动。这是因为电子运动实在太快了，由其他运动或过程产生的光脉冲都不可能与电子运动时间尺度相当，最终只能靠电子自己测量自己。

要说清楚这个问题，我们先来说说什么是光电效应。1905年, 爱因斯坦发表了他最著名的研究成果之一——光电效应，也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。在这一理论中，爱因斯坦将光描述为一种粒子，称为光子。被光照射时, 金属中的电子每次可以吸收一个光子从而获得光子的能量。如果光子的能量足够大，这个电子就能够逃离金属，造成光电效应。

在气体原子中也有类似的情况。由于电子带负电、原子核带正电，它们互相吸引，导致电子只能在原子核附近运动。如果电子想摆脱原子核的束缚飞走，就需要吸收一定的能量。在原子物理中，这个过程叫作“电离”。电离过程比较复杂，简单地解释，就是在强度比较高的激光场中，电子有可能一次吸收多个光子的能量从而电离。在电离实验中，随着激光强度的提高，人们发现，观察到的光电子有可能具有很高的能量，说明电离过程中电子吸收了很多个光子的能量。这种后来被称为“阈上电离”的现象，是在1979年由物理学家皮埃尔·阿戈斯蒂尼发现的。大约10年后，人们又发现，这些获得了很高能量的电子还有可能再回到原子核附近，并且把这些能量再释放出来，释放出的能量就形成了阿秒激光。

这个过程实际上要复杂得多，需要利用复杂的实验设备进行精密地控制才能实现。因此，在此后的十几年间，科学家一直无法在实验中稳定观测。

进入21世纪后，国际上才有多个研究小组在实验中测量到了阿秒激光，并且将其脉冲宽度一步步缩短。2017年，美国和瑞士的研究组分别测量得到了53和43阿秒的阿秒激光脉冲宽度，是迄今为止人类测量到的最短的激光脉冲。2013年中国科学家首次获得130阿秒的激光脉冲；2024年，国内的研究小组获得51阿秒的激光脉冲，基本追平了国际上的前沿成果。

先进阿秒激光设施有什么用？

2023年10月，诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·吕利耶，以表彰他们为研究物质中电子动力学而产生阿秒激光脉冲的实验方法。

阿秒激光为什么如此重要？因为阿秒激光不单是时间尺度的进步，更重要的是能将人们研究物质微观运动的能力，从原子分子推进到原子内部，进而对电子运动进行直接探测，实现对其物理性质的理解，进而控制原子内电子的动力学行为。换句话说，我们最终将能够操纵单个微观粒子。而这必将引发基础物理研究的重大革命。

例如，我们可以用阿秒脉冲去跟踪化学反应中的电子，去了解甚至操控反应的进程；可以仔细观察光电池和半导体芯片中的电子，寻找更高效的太阳能电池和更高速度的芯片；可以度量超导体中的电子对，去寻找揭开超导秘密的钥匙；可以储存和操作量子计算机中的电子和光子。我们甚至可以用阿秒激光这把“镊子”，来分析病毒或者蛋白质的结构和行为，或是把药物放进生病的细胞，癌症等疑难杂症就有可能被治愈。

如今，我国先进阿秒激光设施已经开建。它是世界第二个、亚洲第一个阿秒激光科研设施。建成后，其性能将超越欧洲已部分建成的极端光设施中的阿秒脉冲光源装置。

那么，阿秒激光设施是如何实现的呢？简单地说，需要光源和研究终端。超快光束线是提供脉冲式激光光源的科研装置，其输出的激光脉冲持续时间极短，因此被称为超快光源。而研究终端则是可以放置样品并开展物理学、化学或生物学实验的测量设备。两相结合，将束线输出的激光导入终端，以开展超快光学实验研究，就形成了阿秒激光设施。

先进阿秒激光设施将是自由电子激光装置、同步辐射装置之外极具先进性的新型光源，并有望领先国际水平。同时，它也将成为建设地区的新名片之一，有利于提升区域科技的国际影响力，并推动经济发展，凝聚全球高端科技力量，发挥科学设施的集聚效应，大幅度提升源头创新能力，促进重大科技前沿问题的突破和重大成果的产出。先进阿秒激光设施也将在我国基础前沿、高科技产业、国防科技等多个领域发挥巨大作用，推动多学科原始创新和重大应用，支撑我国在新一轮世界科技革命中抢占先机，助力社会经济和国家安全的跨越式、高质量发展。

先进阿秒激光设施就是科学研究的终点吗？不!再进一步, 当人类探索更短的时间尺度时, 就需要通过某种更快的媒介获得仄秒(千分之一阿秒)激光，这个媒介很可能要在光与原子核、质子或中子的相互作用中寻找，其本身的特征时间就应该在仄秒量级。随着科研的进展，我们相信，超快光学也终将跨过仄秒的门槛!(赵 昆)