科普諾獎「阿秒」是什麼?我國首個阿秒激光裝置正在建設中

2023年10月03日23:43:04 科學 1533

10月3日,2023年諾貝爾物理學獎揭曉,來自美國德國瑞典的三位科學家,因為在「產生阿秒光脈衝以研究物質中電子動力學的實驗方法」方面所作出的貢獻而成功獲獎。這一次的頒獎,也讓「阿秒研究」走出學術圈,正式進入大眾視野。什麼是「阿秒」,「阿秒研究」會給我們的生活帶來哪些變化?記者邀請上海科技大學物質科學與技術學院助理教授潘義明進行了解讀。

「人們對「快」的追逐,讓 「相機快門」時間單位越來越小

探尋「阿秒」的定義之前,潘義明提出了一個19世紀學界頗為津津樂道的問題:賽馬時,馬兒在賓士時,四條腿會同時離開地面嗎?

19世紀,美國企業家和政治家利蘭·斯坦福對於這個問題非常感興趣。為了進行驗證,斯坦福找到了著名的攝影師 埃德沃德·邁布里奇以尋求幫助。在他們生活的時代,錄像功能還沒有誕生,當時相機快門的反應時間要15秒甚至1分鐘。但馬兒又跑得如此之快,要進行驗證極其困難。邁布里奇不僅改進了當時的快門設計,還在跑道上放了一共12處相機和機關。每當馬跑到相機前,就會觸發機關拍下照片,最後將12張照片拼在一起,就形成了馬兒奔跑的全過程了。

通過拼接後的照片,人們找到了問題的答案:快馬賓士時,的確有那麼一個瞬間四條腿會同時離開地面。後來人們在此基礎上發展出了電影技術。

科普諾獎「阿秒」是什麼?我國首個阿秒激光裝置正在建設中 - 天天要聞

科研人員由此提出疑問:快馬的賓士儘管很快,但也頂多是在0.01秒的數量級。那麼,如果想要觀測到更快的運動呢?各種超快的事情都可能在一兩飛秒(fs)之內發生,如果你的閃光燈太慢,你就會漏掉這些轉瞬即逝的鏡頭。因此科學家們努力鑽研,爭分奪秒地研製更細微更精確的「時間窗」,用它來觀察物質世界。

舉個例子,微觀世界裡粒子的運動,又或者是化學反應中電子的運動的捕捉,顯然就不能靠普通相機來完成,這需要更短的曝光時間。「皮秒」,「飛秒」的概念逐漸誕生。「皮秒」(10的負12次方秒)可以觀測到分子轉動的動力學過程,「飛秒」(10的負15次方秒)可以觀測到化學鍵的振動動力學。利用超快光學觀測這些超快現象中的動力學過程,可以加深我們對於物質和分子的理解。

有了「阿秒」,人們才得以順利看見了「光」

如果,物質運動得比分子還快,怎麼辦?比如一閃而過的「光」。在「阿秒」誕生之前,僅僅靠著 「皮秒」和「飛秒」,人們還是看不見光。對於「快」的追逐,讓「阿秒」的誕生有了歷史性的意義。

科研人員曾不止一次應為「追光」而獲得諾貝爾獎。1999年,亞米德·齊威爾因為「用飛秒光譜學對化學反應過渡態的研究」獲得了諾貝爾化學獎。2018年,超強超短激光的啁啾脈衝放大技術(CPA) 就曾獲得諾貝爾物理學獎。今年「阿秒」的獲獎,更是讓人們對於「瞬間」的捕捉,精確到了10的負18次方秒。目前,世界上最短的單個阿秒光學脈衝是53阿秒和43阿秒。

這是一個非常短的時間單位,到底有多短呢?科研人員曾打過一個有趣的比方,1秒中光傳播的距離可以繞地球7.5圈,而1阿秒中光只能從水分子的一端傳播到另一端。換個角度,如果將1阿秒與1秒相比,相當於將1秒與宇宙的年齡相比。

2004年,阿秒條紋相機誕生,人們得以順利捕捉「光」的存在。上海科技大學物質科學與技術學院助理教授潘義明告訴記者,通過條紋照相技術,科研人員可以獲得阿秒脈衝信息,物質內部電子運動的信息,驅動激光脈衝的電場信息。「我們可以看見『光』,這是阿秒的能力,不是其他學科能夠替代的。」

科普諾獎「阿秒」是什麼?我國首個阿秒激光裝置正在建設中 - 天天要聞

我國首個阿秒激光裝置正在建設中

「阿秒」成為了科研人員探索電子世界的新工具。「對於科研人員來說,阿秒研究勢在必得,有了阿秒,很多理科實驗中的相關原子尺度內動力學過程會看的更加清楚,人們對於生物蛋白、生命現象、原子尺度等相關研究會更加精確。」潘義明說。

中科院物理研究所研究員魏志義認為,相干光脈衝從飛秒進步到阿秒,不單是時間尺度的簡單進步,更重要的是將人們研究物質結構的能力,從原子分子運動推進到了原子內部,可以對電子運動和關聯行為進行探測,從而引發了基礎物理研究的重大革命。精密測量電子的運動,實現對其物理性質的理解,進而控制原子內電子的動力學行為是人們追求的重要科學目標之一。有了阿秒脈衝,我們就能測量甚至操縱單個微觀粒子,進而對微觀世界,也就是一個被量子力學主宰的世界,進行更基礎更具有原理性的觀察和描述。

雖然這一項研究距離普通大眾的距離還有些遙遠,但「蝴蝶翅膀」的煽動,必將引發科研「風暴」的來臨。在我國,阿秒激光相關的研究被納入國家重要發展方向,已經建成的相關實驗系統及正在規劃的科學裝置,將為阿秒動力學的研究提供重要的創新手段,通過觀察電子運動,成為未來時間解析度範疇的最好「電鏡」。

據公開信息,在我國位於粵港澳大灣區松山湖材料實驗室,正在規劃一台阿秒激光裝置。據介紹,先進阿秒激光設施由中科院物理所與中科院西光所共建、松山湖材料實驗室參與建設。通過高起點設計,建設具有高重複頻率、高光子能量、高通量及極短脈寬的多束線站,提供最短脈寬小於60as、最高光子能量可到500eV的超快相干輻射,並配備建設相應的應用研究平台,建成後綜合指標有望實現國際領先。

新華日報·交匯點記者 楊頻萍

科學分類資訊推薦

一張頂一百萬張?我國科學家造出超級光碟,單張可存1.6PB數據! - 天天要聞

一張頂一百萬張?我國科學家造出超級光碟,單張可存1.6PB數據!

PB級光碟真的能實現?1TB的硬碟你可能聽說過,但1PB的光碟你聽說過嗎?據說在這麼一個小小的光碟裡面,可以存下一個機櫃的數據,真的有這麼神奇嗎?我國上海光機所就在2月22日宣布研發出了「超級光碟」,單盤容量達到了PB量級!在回答這個問題之前,我們先來了解一下各個儲存容量的單位。
宇宙中的「車輪」,作為旋轉星系極端類型,如同漣漪一般傳遞引力 - 天天要聞

宇宙中的「車輪」,作為旋轉星系極端類型,如同漣漪一般傳遞引力

文 | 晚城編輯 | 晚城車輪的發明標誌著人類進步,一個地方到另一個地方,減少了非常多的時間,在宇宙中同樣有著「車輪」,但那不是趕路的工具,而是一個星系。這個星系名為「車輪星系」,在最外圍是一個橢圓形的框,中間是一個明亮的核心,而兩者互相連接的地方,則是彎曲的「輻條」。
火星上的衛星火衛一,發現神秘結構,揭開其起源之謎 - 天天要聞

火星上的衛星火衛一,發現神秘結構,揭開其起源之謎

文/編輯丨青天御史●—<前言>—●在這個龐大而神秘的宇宙中,木星的衛星群體中的火衛一(Io)顯得尤為引人注目。作為太陽系中最大、最密集的衛星之一,火衛一不僅在其表面上展現出豐富多彩的地質特徵,更是由於其獨特的起源和演化歷史而備受研究者關注。
正月十五鬧元宵,今年元宵節不一般,3點比較特殊,看農諺咋說? - 天天要聞

正月十五鬧元宵,今年元宵節不一般,3點比較特殊,看農諺咋說?

元宵節,農曆時間正月十五,是我國很重要傳統節日之一,也是一年中的第一個月圓之夜。民間又把正月十五稱為「上元節」,而七月十五日為中元節,十月十五日為下元節。元宵節的習俗有很多,比如吃元宵、猜燈謎、賞花燈、舞龍燈等等。今年的元宵節已到來,時間是2月24日(農曆正月十五)。
福建農大上分了! - 天天要聞

福建農大上分了!

又有新物種在我國現身記者昨日從福建農林大學獲悉該校專家團隊在雲南銅壁關保護區發現了一種蘭科植物新物種盈江蝦脊蘭相關研究結果日前在國際學術期刊《Phytotaxa》發表為全球首次報道 「它是一種非常奇妙的蘭花,發現的過程也很偶然。