网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

为了“捕捉”电子,他们发明世界最快激光,轰开物理世界新大门!

0
分享至

2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)、安妮·呂利耶(Anne L’Huillier),以表彰他们在阿秒光脉冲方面所做出的贡献,,这一成果具有什么意义?



脉冲激光在人类认识微观世界上,发挥着无比重要的作用。

不同脉冲频率的激光,犹如我们特殊的眼睛,帮助我们探索微观世界。



纳秒级(10^9)的脉冲可以研究表面、晶体层、纳米结构的结构变化动力学过程。

皮秒级(10^12)脉冲可以研究分子旋转动力学过程。

飞秒级(10^15)脉冲可以研究原子尺度的振动过程。

当然,在实际运用上,纳秒、皮秒、飞秒等各种级别的激光脉冲,在医学和材料学方面具有广阔的运用。

  • 生物医学:激光杀菌、激光治疗、激光手术、激光检测。
  • 材料科学:激光切割、激光焊接、激光打标。

而到了阿秒(10^−18)脉冲级别,如此小的尺度,一秒钟能跑299792458米的光,在1阿秒的时间内,都只能跑0.3纳米。

其实它的实用性,已经大大降低。

但在微观物理领域,它的重要性,简直如同打开一扇大门的钥匙。

因为,我们的眼睛可以借助阿秒激光“进入”亚原子世界,足够观测电子的移动以及能量改变。

这便是这次诺奖介绍中提到的电子动力学。

电子动力学其实可以追溯到1927年。

玻恩和他的学生奥本海默共同提出了玻恩-奥本海默近似:

  • 原子核质量比电子质量大很多,互相作用时,原了核速度比电子小很多。当原子核分布发生微小变化,电子便会随着原子迅速变化,对轨道变化并不敏感。电子的运动形式由原子唯一决定,电子永远处于由原子构型所决定的基态势能面上。



巧合的是,近期刚刚热映了电影《奥本海默》。

奥本海默没有获得过诺贝尔物理学奖,也是很多人心中的遗憾。奥本海默-沃尔科夫极限(中子星的质量上限),是值得一个诺贝尔物理学奖的。



简单来说,在玻恩-奥本海默近似下,求解薛定谱方程时,原子核坐标可视为常数,分子波函数就可以分解成电子波函数和原子核波函数两部分。原子核与电了运动的问题,就变成了电子在固定原子核场中的运动问题。 这样,对于分子结构的研究,就由原来的多粒子体系简化为 N个全同粒子(电子是质量、电荷、自旋等特征完全相同的粒子)体系的研究,大大简化了多粒子体系的复杂度。 然而,涉及超快过程、电子激发态过程等特殊情况,玻恩-奥本海默近似便不再适用。此时的电子动力学,还与与电子体系本身的演化历史、电子和原子核耦合相关。

随着微观物理的发展,对电子动力学性质的精确描述和解释,无论从理解上还是实验上,都遇到了极大的挑战。

这相当于在20世纪下半叶,微观物理学遇到了一扇新的门,急需一把新钥匙来打开这扇门。

而皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)、安妮·呂利耶(Anne L’Huillier)三人,今年之所以获得物理学诺贝尔奖,正是找到了创造阿秒激光脉冲的方法,获得了这把钥匙。



激光原理,可以追溯到1916年爱因斯坦关于光与物质相互作用的理论。

简单来说,电子从高能级回落到低能级,所释放(激发)出来的光子,汇聚成束就是激光。特殊的产生形式,也令激光具有单色性、方向性好、亮度高、相干性高等特征。

人类真正制造出激光,已经是1960年:

  • 在红宝石晶体基质Al2O3中掺入约0.05%的Cr2O3,从而使得红宝石中的电子泵浦到相同的较高激发态上,然后在极短时间内掉到同一较低能级上,从而获得高单色性的激光。

激光的激发特性,也决定了,最容易获得的是脉冲激光。其脉冲特性,也比连续激光(需要让激发的电子能级均匀分布)更加适合用在微观研究领域。

随后人们开始了对激光的大量研究和应用。

1987年,安妮·呂利耶(获奖第三位)利用惰性气体传输红外激光时,发现产生了很多不同于原激光的“泛音”[1]。



简单来说,这就像弹吉他的过程。

弦振动产生某种基频的声音,如果受到手指等其它因素的干扰,产生的音波互相影响而出现的谐波,这便是泛音。

其实,人在说话的时候,之所以我们能改变发声,很大程度上,并不是直接改变声带的振动,而是通过喉咙、口腔、鼻腔共鸣,产生泛音,从而对我们的最终发声产生影响。

而激光泛音,正是激光与惰性气体原子相互作用而产生的,本质上是一种高次谐波(HHG)。

20世纪90年代,安妮·呂利耶和其团队都在致力于研究这种泛音。他们对其光谱形状进行了预测,认识到这是单电子效应[2][3],并对高次谐波过程提出了清晰理解:



电子在强激光作用下发生隧穿电离,离开原子,然后在激光场中加速,获得能量。最后再落回原子场中,把刚才获得的能量以光子的形式释放而出。

这里,可以简单理解成电子被激光强电离,吸收能量后再次落回轨道,从而激发出新的光子。这些光子一般相当于紫外线。

由于都是相同性质的光,所以这些光波重叠时,相同方向的波会成倍增强,而相反方向的波则会互相抵消。当重合到一个恰到好处的位置,高次谐波激光便产生了。

高次谐波的原理解释,其实和皮埃尔·阿戈斯蒂尼(获奖第一位)更早的研究有关。

1979年,皮埃尔·阿戈斯蒂尼和其团队在实验中发现了原子的超阈值电离(ATl),这正是激光高次谐波产生的基础[4]。

而到了1994年,皮埃尔·阿戈斯蒂尼团队发明了RABBITT(通过双光子跃迁干涉重建阿秒跳动)技术[5],从而有了测量高次谐波阿秒脉冲持续时间的可能。



2001年,皮埃尔·阿戈斯蒂尼,用氩气实现了250阿秒的一系列连续光脉冲,并用RABBITT技术进行了测量[6]。简而言之,这种技术可以使脉冲串(一系列高次谐波)与激光延迟部分放在一起,从而可以观察泛音彼此同相的过程,这自然也可以同时测量脉冲持续时间。



而费伦茨·克劳斯(获奖的第二位)则通过使用多层XUV反射镜选择更少周期的脉冲在截止点附近产生谐波,制造出了650阿秒的单个光脉冲,同时进行了相应的光电子能谱分析。

至此皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)、安妮·呂利耶(Anne L’Huillier)三人的研究,打开了微观物理新大门,阿秒激光在原子、分子,以及电子动力学、凝聚态物理有了前所未有的用武之地。

总的来说,三位诺奖得主,实至名归:

皮埃尔·阿戈斯蒂尼无论从原理解释还是应用基础上,都具有极大的功劳。而费伦茨·克劳斯则在应用上有着决定性的贡献,与皮埃尔·阿戈斯蒂尼的测量技术互为补充。而安妮·呂利耶则有开创之功,并在皮埃尔·阿戈斯蒂尼早期研究的基础上,对阿秒激光原理进行了解释。

参考

  1. ^Ferray M, L'Huillier A, Li X F, et al. Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases[J]. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 1988, 21(3): L31.
  2. ^L’Huillier A, Balcou P. High-order harmonic generation in rare gases with a 1-ps 1053-nm laser[J]. Physical Review Letters, 1993, 70(6): 774.
  3. ^Lewenstein M, Balcou P, Ivanov M Y, et al. Theory of high-harmonic generation by low-frequency laser fields[J]. Physical Review A, 1994, 49(3): 2117.
  4. ^Agostini P, Fabre F, Mainfray G, et al. Free-free transitions following six-photon ionization of xenon atoms[J]. Physical Review Letters, 1979, 42(17): 1127.
  5. ^Klünder K, Dahlström J M, Gisselbrecht M, et al. Probing single-photon ionization on the attosecond time scale[J]. Physical Review Letters, 2011, 106(14): 143002.
  6. ^Paul P M, Toma E S, Breger P, et al. Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation[J]. Science, 2001, 292(5522): 1689-1692.

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
赌场还是屠宰场?A股正在把散户吃干抹净

赌场还是屠宰场?A股正在把散户吃干抹净

A活着
2026-10-12 17:03:56
《美人余》大结局:看到最后才知,卢蕙给余建国的那碗汤药,不是贴心,而是催命符

《美人余》大结局:看到最后才知,卢蕙给余建国的那碗汤药,不是贴心,而是催命符

肆季娱乐
2026-10-15 17:00:45
马斯克态度突变,撕下美国遮羞布:离开中国,谁也别想造电动车!

马斯克态度突变,撕下美国遮羞布:离开中国,谁也别想造电动车!

霁寒飘雪
2026-10-13 09:38:23
本·阿弗莱克自曝打《无畏契约》被小孩哥暴打:我被打得屁滚尿流

本·阿弗莱克自曝打《无畏契约》被小孩哥暴打:我被打得屁滚尿流

晚星归航2
2026-10-15 22:00:24
12个人公开对特朗普说不!麦康奈尔带头反水,要求撕了这个协议!

12个人公开对特朗普说不!麦康奈尔带头反水,要求撕了这个协议!

国际阿尝
2026-10-16 17:00:24
帝国不允许这么牛X的人存在

帝国不允许这么牛X的人存在

最爱历史
2026-10-16 15:02:03
U17女足主帅马晓旭:我们比之前更强壮了,敢于和欧美对抗

U17女足主帅马晓旭:我们比之前更强壮了,敢于和欧美对抗

懂球帝
2026-10-16 09:23:29
CBA最“软”的中锋!休赛期无人问津,转头却被易立点名重用?

CBA最“软”的中锋!休赛期无人问津,转头却被易立点名重用?

晓岇就是我
2026-10-16 10:55:18
美国死刑直播,为何全世界哭的最大声的是中国法学界?

美国死刑直播,为何全世界哭的最大声的是中国法学界?

步论天下事
2026-10-15 10:25:45
尼克松暮年自揭:最悔就是那趟访华,毛主席当初已把华盛顿的全盘心思摸得干干净净?

尼克松暮年自揭:最悔就是那趟访华,毛主席当初已把华盛顿的全盘心思摸得干干净净?

回京历史梦
2026-10-15 09:13:26
为什么国产激光设备出海难获高端市场认可

为什么国产激光设备出海难获高端市场认可

风铃草语
2026-10-16 07:17:00
性出轨率最高的5个职业,不是人品差,是环境放大人性弱点

性出轨率最高的5个职业,不是人品差,是环境放大人性弱点

艺鉴在线
2026-09-30 14:57:44
申花客战柴桢0-0,刚大胜中超却拿东南亚球队没辙

申花客战柴桢0-0,刚大胜中超却拿东南亚球队没辙

冷桂零落
2026-10-17 00:00:11
马斯克:中国对石油的依赖正在迅速下降,电动车真正省的是什么?

马斯克:中国对石油的依赖正在迅速下降,电动车真正省的是什么?

王新喜
2026-10-16 23:35:09
特斯拉飞了一下,网上已经开始群魔乱舞了

特斯拉飞了一下,网上已经开始群魔乱舞了

利刃号
2026-10-17 00:02:03
马科斯要换掉菲副总统?中方10年前埋下的伏笔,救了莎拉一命

马科斯要换掉菲副总统?中方10年前埋下的伏笔,救了莎拉一命

湘评中外
2026-10-16 17:06:42
《教父》柯里昂告诫儿子:遭遇背叛时,底层人急于报复,中层人选择隐忍,真正的高手只做两件事

《教父》柯里昂告诫儿子:遭遇背叛时,底层人急于报复,中层人选择隐忍,真正的高手只做两件事

心理观察局
2026-08-27 07:21:04
郑艳丽:身材太诱人被导演强暴,拍三级片,被大佬玩烂后当服务员

郑艳丽:身材太诱人被导演强暴,拍三级片,被大佬玩烂后当服务员

深度解析热点
2026-10-09 22:51:24
三部门联合调查组介入!尊界和懂车帝谁最慌?

三部门联合调查组介入!尊界和懂车帝谁最慌?

迷世书童
2026-10-16 14:38:07
法国20年嘴硬白干了!歼-10击落阵风是假的,央视夸一句是真的

法国20年嘴硬白干了!歼-10击落阵风是假的,央视夸一句是真的

麓谷隐士
2026-10-17 00:05:04
2026-10-17 00:59:00
瞻云
瞻云
科普作家,生物、物理领域。
476文章数 654关注度
往期回顾 全部

科技要闻

杨天若院士:AI是中国弯道超车的机会

头条要闻

李斌、何小鹏等多人发声 "特斯拉会飞"有三大疑问待解

头条要闻

李斌、何小鹏等多人发声 "特斯拉会飞"有三大疑问待解

体育要闻

工资一分不要,曼联名将想把母队带回西甲

娱乐要闻

郭富城现身香港大学,袁咏仪夫妇全程冷漠不搭话

财经要闻

港交所拟2028年下半年实施T+1结算

汽车要闻

特斯拉会飞?全新Roadster亮相

态度原创

艺术
游戏
本地
时尚
公开课

艺术要闻

康定斯基这幅《多彩的生活》,2.78亿!

终末地刚开新版本就画大饼,玩家却说香疯了?

本地新闻

因新荣记出圈,这座浙东小城才是吃货天堂

大学宿舍,精神炼狱

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版