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诺奖得主与沪上大中学生畅谈发明世界上“最快的相机”

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“阿秒是10的负18次方秒,而1阿秒是多快?”

昨天(4月18日),第十四期“浦江科学大师讲坛”在复旦大学相辉堂举行。诺贝尔物理学奖得主、瑞典隆德大学教授、瑞典皇家科学院院士安妮·吕利耶,以“阿秒脉冲的探索之旅”为题,与上海市高校及中学师生代表面对面畅谈。这是她第一次到访中国。

2023年,她与皮埃尔·阿戈斯蒂尼和费伦茨·克劳斯共同荣获诺贝尔物理学奖,以表彰他们“为研究物质中电子动力学而开发出产生阿秒光脉冲的实验方法”。

如果一只鸟儿以每秒1米的速度掠过天空,我们可以轻松用眼睛追随它。但如果换作一颗击穿苹果的子弹,它的速度快到用肉眼无法捕捉,只有借助高速摄像机,使用慢动作回放,我们才能看清苹果破裂的瞬间。

相比之下,自然界微观世界的粒子运动更快。以氢原子为例,其电子绕原子核运动一周的时间大约是150乘以10-18秒,即150阿秒。

1阿秒有多短?吕利耶打了一个比方,目前可以观测到的最长时间尺度是宇宙的年龄,大约为140亿年。1阿秒比1秒,就相当于1秒相当于整个宇宙年龄的长短。

要看清原子内电子的运动,就需要曝光时间短至阿秒量级的超快“照相机”。阿秒激光脉冲,就是这样的相机闪光灯。可是,制造阿秒量级的超快光脉冲极为困难。

上世纪80年代末,当时还是法国萨克雷核研究中心年轻研究员的吕利耶,意外下找到了解决这一问题的办法。在一次实验中,她用一束普通的红外激光去照射气体,意外发现了一种现象:气体发出了一种“光的泛音”。就像你弹一下吉他弦,它不但发出基音,还发出更高频率的泛音。这里,气体发出的“泛音”是极紫外光,而且这些泛音叠在一起,在时间上竟然形成了一连串极短的光闪,短到只有阿秒级别。

这就是“高次谐波”现象。高次谐波之所以能产生阿秒光脉冲,是因为它在频率上覆盖了极宽的“光谱带宽”,根据数学中的傅里叶变换,宽的带宽在时间上对应着极短的脉冲。它像一个意外的礼物,让吕利耶等科学家拥有了阿秒光脉冲,得以逐步创造出梦寐以求的“超高速相机”。

随着近20年科技的快速发展,尤其是飞秒和阿秒激光技术以及相关探测技术的发展。科学家们已经具备了非常先进的阿秒脉冲产生和测量技术,实验室可以获得脉宽接近甚至短于20阿秒的光脉冲。

“通过神奇的阿秒光脉冲,我们得以看见并认识微观世界。”然而,从观察微观世界的粒子运动,到理解规律,再到利用这些规律来改造微观世界,仍然是一个漫长的过程。正如吕利耶所言:“我从事这个领域的研究工作已经大约40年了,在这个过程中,我们不断看到并学习新事物。未来,我们还将朝着阿秒物理学的更深处迈进。”

在阿秒级光脉冲发现之前,科学家对微观世界超快过程的观测极限,停留在“飞秒”尺度。

1飞秒又有多快?它是1秒的一千万亿分之一。凭借飞秒激光这一“超级快门”,科学家得以“拍摄”化学反应中原子核的振动、化学键的断裂与形成。然而,在原子内部,电子的运动速度比原子核快千倍,其运动的时间尺度是更短的“阿秒”级别。用飞秒“快门”去捕捉电子,得到的只是一片模糊的拖影。

阿秒激光脉冲的诞生,正是一场更深刻的“超快革命”。其最深远的影响,不止于突破观测极限,更在于它将百年物理难题,即光电效应中电子的“瞬时”发射,转变为了一个可观测、可测量的科学课题。

如今,阿秒科学已成为汇聚多学科智慧的前沿阵地,持续驱动源头创新。在物理学中,它正帮助科学家破解高温超导、量子材料背后的电子奥秘;在化学与生物医学领域,它让直接观测电荷转移、DNA辐射损伤机制成为可能,为理解生命过程和研发新药提供了革命性的工具;在工业领域,基于阿秒的极紫外光源已开始用于纳米级半导体结构的无损检测,为下一代电子产品的制造保驾护航。

面对未来,吕利耶充满期待,也保持着科学家的审慎。她表示,从观察到理解,再到最终控制与利用,这是一个需要不断探索新事物的过程,“不断学到新的东西 是我前进的动力”。

原标题:《诺奖得主与沪上大中学生畅谈发明世界上“最快的相机”》

本文作者:新民晚报 张炯强

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