“西安是國(guó)家實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的前沿陣地，是‘一帶一路’起點(diǎn)，全球首屆硬科技大會(huì)2017年在西安成功召開(kāi)，硬科技已成為西安創(chuàng)新發(fā)展的亮麗名片。未來(lái)，我們有望建成的西安阿秒光源將與歐盟阿秒光源裝置遙相呼應(yīng)，形成全球頂尖的阿秒研究中心，在‘一帶一路’中發(fā)揮橋梁與輻射作用，共同引領(lǐng)阿秒科學(xué)發(fā)展。”西安光機(jī)所曾健華博士說(shuō)到，近日，記者從中科院西安光機(jī)所獲悉，作為國(guó)家級(jí)的大科學(xué)裝置和多學(xué)科交叉的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，我市有望建成大科學(xué)裝置——西安阿秒光源。
阿秒是人類能達(dá)到的最小時(shí)間分辨尺度
激光打孔、用作“手術(shù)刀”的飛秒激光近視手術(shù)……是我們可以接觸到的激光應(yīng)用。什么叫阿秒？這要從頭開(kāi)始講起，原來(lái)，在日常攝影中，照相機(jī)的閃光燈能在1／1000秒內(nèi)“定格時(shí)間”——這個(gè)速度快到可以捕捉到棒球擊球手迅速揮臂擊球的動(dòng)作，但對(duì)更快的變化過(guò)程就顯得無(wú)能為力，比如化學(xué)反應(yīng)過(guò)程、光合作用能量傳遞過(guò)程等，如果你的閃光燈太慢，就會(huì)漏掉這些轉(zhuǎn)瞬即逝的鏡頭。因此科學(xué)家們正努力鉆研，爭(zhēng)分奪秒地研制更細(xì)微更精確的“時(shí)間窗口”，用它來(lái)觀察物質(zhì)世界，這方面的研究被稱作超快過(guò)程研究。
曾健華介紹道，人眼的視覺(jué)暫留時(shí)間一般為0．1－0．4秒，當(dāng)變化過(guò)程短于0．1秒時(shí)，受眼睛時(shí)間分辨率的限制，我們就無(wú)法看清變化過(guò)程，比如要看清高速奔跑的駿馬四腳是否同時(shí)離地就需要毫秒時(shí)間分辨能力，這就需要高速攝影技術(shù)。影片中的高速攝影是使用高速攝像機(jī)把轉(zhuǎn)瞬即逝的快速變化過(guò)程記錄下來(lái)，并以慢動(dòng)作放映，從而可以顯示肉眼看不見(jiàn)的瞬間動(dòng)作。然而，光電子類高速相機(jī)的最大時(shí)間分辨能力僅為納秒（10－9秒）， 要想觀測(cè)超高速現(xiàn)象或超快過(guò)程，就需要更快的攝影技術(shù)，這有賴于快速探測(cè)手段和技術(shù)的革命性進(jìn)步。
據(jù)介紹，上世紀(jì)60年代激光的發(fā)明推動(dòng)了超高速攝影技術(shù)的誕生和發(fā)展。80年代末， 美國(guó)科學(xué)家Zewail率先利用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的飛秒（10－15秒）激光脈沖去研究發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)化學(xué)鍵的斷裂和形成過(guò)程，并藉此榮膺1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。2001年，奧地利科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了阿秒光脈沖的產(chǎn)生，宣告超快科學(xué)進(jìn)入了阿秒時(shí)代。
也就是說(shuō)，2001年阿秒脈沖（1阿秒＝10－18秒）的實(shí)現(xiàn)，使人類歷史上得以首次深入原子結(jié)構(gòu)內(nèi)部觀測(cè)電子的運(yùn)動(dòng)，開(kāi)創(chuàng)了原子尺度電子運(yùn)動(dòng)的新時(shí)代，引發(fā)了一場(chǎng)根本性、歷史性、顛覆性的科技革命——阿秒科學(xué)。
未來(lái)有望揭開(kāi)癌癥早期診斷的世界難題
“通俗地說(shuō)，我們這方面的研究屬于科學(xué)最前沿，確實(shí)是比硬科技還‘硬’。”曾健華笑著說(shuō)。原來(lái)，阿秒技術(shù)為物理、化學(xué)、生物和材料科學(xué)超快過(guò)程的探究和高時(shí)空分辨率成像提供嶄新的手段，有望引發(fā)新的科技革命。
曾健華舉例說(shuō)，比如阿秒技術(shù)的研究有望提升太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率，因?yàn)榘⒚肟茖W(xué)已經(jīng)深入到物質(zhì)微觀層面最本質(zhì)的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這樣的研究可以完全清楚相關(guān)材料的特性，從而有望實(shí)現(xiàn)最高效的太陽(yáng)能電池材料。據(jù)了解，目前太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率較低，等到阿秒研究使得其獲得高轉(zhuǎn)化效率后，對(duì)我們的生活將會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響？曾建華介紹，到時(shí)候這樣高效的能源有望取代我們目前在使用的很多能源，而街道上，太陽(yáng)能汽車也有望成為主流。
一提到阿秒的未來(lái)應(yīng)用，揭示腫瘤病變機(jī)理是最受大眾關(guān)注的領(lǐng)域之一。曾健華表示，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，阿秒技術(shù)是生物活體精準(zhǔn)成像和癌癥早期診斷應(yīng)用中的獨(dú)特研究手段。癌變機(jī)制及早期診療一直是生物學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的世界性研究難題。這樣的研究需要獲得生物樣品“分子指紋”，揭示生物體中分子的工作機(jī)理，而在分子層面實(shí)現(xiàn)癌癥早期診斷。而進(jìn)入電子運(yùn)動(dòng)研究水平的阿秒技術(shù)則為這樣的診斷效果注入了新的活力，這是因?yàn)榘⒚朊}沖的寬頻譜特性是活體生物樣本X射線顯微成像的最佳范圍，可實(shí)現(xiàn)活體生物組織的實(shí)時(shí)顯微成像和疾病診斷。
除此之外，阿秒研究也有望在可持續(xù)能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存、新材料、環(huán)境科學(xué)與大氣修復(fù)、人類健康等多個(gè)方面具有深遠(yuǎn)的意義。據(jù)美國(guó)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2017年激光技術(shù)的全球市場(chǎng)達(dá)到110億美元，而到2022年將高達(dá)153．8億美元。
據(jù)介紹，在世界列強(qiáng)緊鑼密鼓地布局阿秒光源重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，我國(guó)抓住時(shí)機(jī)建設(shè)西安阿秒光源，對(duì)增強(qiáng)我國(guó)原始創(chuàng)新能力、實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)領(lǐng)域跨越和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)從科技大國(guó)邁向科技強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)具有重要意義。
將助力“大西安”國(guó)家中心城市發(fā)展
鑒于阿秒科學(xué)的前沿性、重要性和不可限量的應(yīng)用前景，阿秒科學(xué)自誕生起便成為前沿研究熱點(diǎn)。2010年《自然》 “展望2020”預(yù)測(cè)了激光領(lǐng)域的未來(lái)5 項(xiàng)重大突破，其中包括 “獲得阿秒脈沖跟蹤化學(xué)反應(yīng)中的極端超快電子運(yùn)動(dòng)”。美國(guó)、德國(guó)和日本都將阿秒技術(shù)列入本國(guó)的戰(zhàn)略優(yōu)先技術(shù)，目前多國(guó)政府與國(guó)際組織都在積極謀劃建設(shè)阿秒重大科技設(shè)施，正在建設(shè)的有歐洲極端光設(shè)施——阿秒光源和韓國(guó)浦項(xiàng)阿秒光源，美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)也正在積極籌建大型阿秒光源。
我國(guó)在該方面的研究中，西安光機(jī)所是主要的開(kāi)拓者和研究機(jī)構(gòu)之一，帶動(dòng)了我國(guó)超快激光技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展和應(yīng)用，為國(guó)家培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的專業(yè)人才，在國(guó)內(nèi)外享有盛譽(yù)，創(chuàng)造了一系列世界紀(jì)錄：最近的紀(jì)錄是常增虎教授于2012年和2017年兩次創(chuàng)造了67和53阿秒最短脈寬世界紀(jì)錄。
據(jù)介紹，目前，西安阿秒光源建設(shè)已進(jìn)入規(guī)劃論證階段，未來(lái)，借鑒歐洲極端阿秒裝置經(jīng)驗(yàn)建設(shè)，建成后，西安阿秒光源將加速中國(guó)西部高端科研人才集聚，有力帶動(dòng)西部地區(qū)的基礎(chǔ)科研發(fā)展，同時(shí)將引領(lǐng)材料科學(xué)和信息技術(shù)發(fā)展，加速產(chǎn)業(yè)升級(jí)和科技成果轉(zhuǎn)化，助力中國(guó)科學(xué)院西安綜合科學(xué)園建設(shè)和大西安國(guó)家中心城市發(fā)展。
“一旦建成阿秒光源，未來(lái)前景無(wú)限。”曾健華表示，阿秒科學(xué)正值發(fā)展的春天，基礎(chǔ)研究發(fā)展勢(shì)頭迅猛，應(yīng)用領(lǐng)域的研究和牽引作用不可限量。因此，加強(qiáng)阿秒相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的研究，可以顯著提升我國(guó)在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)等相關(guān)交叉學(xué)科及應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。
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