湖南
近日，来自魏茨曼科学研究所的科研团队取得一项重大突破。他们成功找到了一种方法，借助两个同步激光束，在阿秒（十亿亿分之一秒）这一前所未有的超快时间尺度上，观测光与物质之间的相互作用。这一成果对数据处理和量子控制领域来说，或许意味着一场重大变革。
想象一下，在不到十亿亿分之一秒的时间内，就能让一种材料从透明变为不透明，或者改变它的各种特性，是不是听起来像科幻小说？但如今，这正在逐渐成为现实。近年来，科学家们利用激光，能以极快的速度控制物质的特性，甚至能在一个光波周期内完成。只不过，这些变化发生在阿秒时间尺度上，实在是太快了，很难被观测到。
魏茨曼科学研究所的尼里特·杜多维奇教授及其团队在《自然光子学》杂志上发表了一项研究成果。他们研发出一种开创性的方法，能够追踪这些超快的材料变化。在阿秒科学领域，这一进展意义非凡，它探索的可是自然界中最快的过程，也为超快计算、下一代通信等技术开辟了新的道路。
那么，他们是怎么做到的呢？这得从光的折射说起。大家都见过彩虹，阳光穿过雨滴时会减速、弯曲，也就是折射。不同颜色的光在雨滴中的传播速度略有不同，这就形成了彩虹。通常，像玻璃、水这类材料对光的折射方式是固定的。不过，研究人员发现，强大的激光可以在极短时间内改变材料对光的减速程度。
魏茨曼团队想到，如果能测量激光导致的光在材料中传播的微小延迟，或许就能实时弄清楚激光究竟是如何改变材料特性的。
这项新测量方法是由杜多维奇实验室的三名研究生奥默·克内勒、陈·莫尔和诺亚·亚费主导开发的。他们使用了两束激光，一束功率强大，由相对较长的脉冲组成，它能改变光在特定材料中经历的光学延迟；另一束则发射极短的阿秒脉冲，就像是一台超高速的慢动作摄像机。
这些阿秒脉冲会分成两份，一份不与材料相互作用，作为参考；另一份穿过材料，与材料相互作用并记录由此产生的阿秒延迟。当这两份脉冲最终汇聚并相互干涉时，研究人员就能精确重建光穿过材料时经历的光学延迟变化。
从量子力学的角度来看，材料的特性由其能量水平决定，这些能量水平就像一个能量阶梯。电子可以通过获得或失去适量的能量，在这个阶梯上上下移动。强大的激光会改变这个能量阶梯，比如让两个能级合并成一个，或者把一个能级分裂成两个。
新方法就像是导航软件，通过测量阿秒脉冲经历的延迟，重建电子在不同能级之间的“旅行路线”。分析电子的“旅行”过程，研究人员就能知道材料中的能级是如何因激光而改变的。起初，科学家们用这种方法研究激光如何改变单个原子的特性，理论计算表明，这种新方法还能揭示光与更复杂材料之间的相互作用。
杜多维奇教授表示：“一旦我们能追踪单个电子在能级之间的‘旅行’，就能在几百甚至几十阿秒内，用光线有意且精确地控制材料的特性。这可能会推动最快处理器的研发，大幅提高数据传输和处理速度。而且，这种新方法对基础研究也有重要意义，我们希望借此拍摄到运动中电子的‘快照’，发现更多以前无法观测到的量子现象。”
据悉，参与这项研究的还有来自柏林马克斯 - 博恩研究所、以色列理工学院、麻省理工学院、普林斯顿大学等机构的科研人员。杜多维奇教授的研究得到了杰伊·史密斯和劳拉·拉普复杂系统物理研究实验室的支持。
参考资料：DOI： 10.1038/s41566-024-01556-2
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