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！

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.