抓住那最短一瞬,用慢镜头播放出来

今年诺贝尔物理学奖成果 “阿秒科学”——探索电子世界的新工具

2023-10-04

记者 钟松君

瑞典皇家科学院3日宣布,将2023年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,以表彰他们将产生阿秒光脉冲的实验方法用于研究物质的电子动力学。

它是“超快物理学”,是将传说中“来无影去无踪”的物事捕捉、慢慢研究的微观技术。

三名获奖者将平分1100万瑞典克朗(约合100万美元)奖金。

安妮·吕利耶,迈出第一步

安妮·吕利耶是隆德大学原子物理学教授,她作为女性物理学家获得诺贝尔物理学奖,也受到了人们关注。

1978年,吴健雄获得以色列沃尔夫物理学奖,是第一个获得此奖的女性。2022年,安妮·吕利耶成为第二个获得此奖的女性。这个奖在物理学界仅次于诺贝尔奖。

2023年,吕利耶又成为第五个获得诺贝尔物理学奖的女性。

前四个是:1903年居里夫人(波兰裔法籍)、1963年玛丽亚·格佩特-梅耶(德裔美籍)、2018年唐娜·斯特里克兰(加拿大)和2020年安德烈娅·盖兹(美国)。

“这是最有声望的奖项,我很高兴能获得这个奖。这太不可思议了,”她说,“正如你所知,获得这个奖项的女性并不多,所以它非常特别。”

吕利耶1958年出生于巴黎,10岁时看到了阿波罗11号的两个宇航员尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林登月。先驱的身影激发了她的科学兴趣,后来她也成了一个先驱。

她是巴黎大学的数学和理论物理双硕士,博士论文研究实验物理,1986年在皮埃尔和玛丽·居里大学和法国原子能研究所完成了多光子电离论文答辩,并成为原子能研究所研究员。

1987年,吕利耶与同事利用惰性气体的红外激光束研究原子,演示了高次谐波的产生。与以前实验中使用的波长较短的激光相比,红外光产生更多、更强的高次谐波。这个实验中观察到许多光强度差不多的高次谐波。

此后,她在一系列论文中继续探索这种效应,其中包括在她的新基地隆德大学的研究,从理论上解释这一现象,并为此后的实验突破奠定了基础。

“阿秒光脉冲迈出了第一步。”去年她在接受采访时说:“阿秒物理学领域由此诞生。”

费伦茨·克劳斯,第一个阿秒脉冲

几年后,现任渥太华大学物理学教授、阿秒联合科学实验室主任的保罗·科克姆提出了解释脉冲形成的半经典再碰撞模型。

2001年在维也纳理工大学,费伦茨·克劳斯和他的研究团队实验通过实验,产生和测量了持续650阿秒的单一光脉冲。

这是阿秒物理学的第一个里程碑,阿秒脉冲首次使电子的超快运动可见,并拍摄下来。

近年来,他和同事们成功制作了大量电子在分子和原子中运动的视频。

克劳斯1962年出生于匈牙利,现任马克斯·普朗克量子光学研究所所长,慕尼黑路德维希·马克西米利安大学实验物理学教授。他1990年代在维也纳技术大学时,就对用激光产生超短光脉冲产生了兴趣。

皮埃尔·阿戈斯蒂尼,同一年的连续光脉冲

皮埃尔·阿戈斯蒂尼,1968年获法国艾克斯-马赛大学博士学位,成为法国原子能委员会研究员,2005年进入美国俄亥俄州立大学担任物理学教授。

2008年,他“因其在创新实验开发方面的领导地位,为原子和分子在强红外激光脉冲下的非线性响应动力学提供了重要见解”,被选为美国光学学会研究员。

2001年,在克劳斯做阿秒光脉冲实验时,阿戈斯蒂尼也成功制造研究了一系列连续光脉冲,每个脉冲仅持续250阿秒。

阿秒科学是什么?

《自然》杂志网站上的极简介绍说:阿秒科学是研究在阿秒(10的负18次秒)或更短时间尺度上发生的过程。比如,电子从其母体原子或分子电离和再碰撞。这些现象的速度意味着只能使用超快激光的光学技术来研究它们。

2022年获得以色列沃尔夫物理学奖的3位科学家是:安妮·吕利耶、保罗·科克姆和费伦茨·克劳斯。

当时《自然光子学》说:“每一位获奖者都对阿秒物理学的各个方面,以及超快激光器及其应用的发展,做出了至关重要的贡献。他们的开创性研究最初导致了对高次谐波产生的理解和实现。高次谐波是阿秒脉冲形成的基础。”

他们三人,也一起获得了2023年第11届西班牙BBVA基金会基础科学前沿知识奖。基金会网站介绍他们的研究:

吕利耶、科克姆和克劳斯开发的工具,就像极快速的相机,甚至可以捕捉到电子绕氢原子核旋转需要150阿秒的运动。

“就像你拍摄一级方程式赛车,或者拍摄子弹运动一样,拍一系列快照,”克劳斯解释说,“然后用慢镜头再现,可以观察运动的所有细节。”

一阿秒有多久?

我们用白驹过隙形容时间短,但白影能见到;我们又用一眨眼形容时间短,吕利耶说,一眨眼,是1000000000000000阿秒。

阿秒是一个理论上存在的时间概念。

一阿秒大约是光穿过原子的时间,是十亿分之一秒的十亿分之一。

一束光从房间东墙发射到西墙,需要100亿阿秒。

科克姆说:“一阿秒之于一秒,相当于一秒之于宇宙年龄。你能想象出这么短暂的事物吗?”

阿秒研究有什么用?

3人的实验便是“捕捉这最短的时刻”。

诺贝尔奖委员会解释,人类肉眼无法辨别蜂鸟翅膀抖动,在这一突破之前,科学家也无法观察或测量电子的个体运动。快速的运动模糊在一起,看不清楚。

“捕捉瞬间,动作越快,拍摄的速度也要越快。”委员会说,“同样原理,适用于捕捉电子运动的快照。”

有人问吕利耶,这个研究有什么潜在应用?

她说,第一个用途是,“当我们观察电子时,能真正了解它们的性质。”

“第二个用途更实用,而且即将问世。”她说,“我们生产的这种成像工具,对半导体行业很有用,将带来实际应用。”

瑞典皇家科学院常任秘书汉斯·埃勒格伦3日说,今年的获奖成果是实验方法,为人类探索原子和分子内的电子世界提供了新工具。