據(jù)報(bào)道，11月3日，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“先進(jìn)阿秒激光設(shè)施”宣布正式啟動(dòng)建設(shè)。

據(jù)悉，建成后，該設(shè)施應(yīng)用終端覆蓋全面，具備阿秒級(jí)時(shí)間分辨能力和高度時(shí)空相干性。科研人員基于這一設(shè)施，可利用阿秒激光的超短脈寬和高空間分辨率等特性，對(duì)包括高速光電器件、超導(dǎo)材料、光伏發(fā)電、光合作用等過(guò)程中的深層次超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程展開(kāi)探索，為研究物理、化學(xué)、材料、信息、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科中的重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題提供嶄新的技術(shù)手段。

那么，究竟什么是阿秒？阿秒激光技術(shù)又是什么？阿秒激光技術(shù)未來(lái)具有哪些應(yīng)用前景？請(qǐng)看本文解讀。

先進(jìn)阿秒激光設(shè)施建設(shè)示意圖。資料圖片

突破時(shí)間測(cè)量的極限

想要了解“阿秒激光”，首先要知道“阿秒”是什么。

阿秒，是一個(gè)非常短的時(shí)間單位，突破了現(xiàn)有時(shí)間測(cè)量的極限。它比飛秒更短，是人類(lèi)目前能夠掌握的最小時(shí)間尺度。如果以秒為單位進(jìn)行量級(jí)類(lèi)比，那么1阿秒等于10-18秒。

對(duì)于如此大的量級(jí)差距，有人做了這樣一個(gè)形象的類(lèi)比：一束光從地球到達(dá)月球的時(shí)間約為1秒，那么在1阿秒的時(shí)間內(nèi)，光只能傳輸0.3納米。這0.3納米的距離長(zhǎng)度，約為一根頭發(fā)絲直徑的20萬(wàn)分之一。由此，我們可以想見(jiàn)阿秒之短、之微、之快。

而阿秒激光，是指一種在阿秒時(shí)間尺度上閃爍的激光。按波長(zhǎng)分類(lèi)，它屬于紫外至軟X射線波段的激光；按輸出模式分類(lèi)，其屬于脈沖激光。

阿秒激光的特點(diǎn)是脈沖持續(xù)時(shí)間極短，能用于觀測(cè)和控制原子、分子和固體中電子的超快動(dòng)態(tài)過(guò)程。通過(guò)阿秒激光，科學(xué)家們可以像看電影的慢動(dòng)作回放一樣，觀察電子在原子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，探究它們之間的交互作用。

2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，頒發(fā)給了3位在阿秒激光領(lǐng)域作出貢獻(xiàn)的科學(xué)家。不過(guò)，這幾位科學(xué)家雖然開(kāi)發(fā)出了阿秒光脈沖產(chǎn)生和測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法，但由于目前實(shí)驗(yàn)水平有限，無(wú)法支撐3位科學(xué)家的科研成果在應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大原始創(chuàng)新突破。在這樣的背景下，先進(jìn)阿秒激光設(shè)施的出現(xiàn)，有望解決這一瓶頸問(wèn)題。

事實(shí)上，20世紀(jì)末時(shí)，激光技術(shù)已經(jīng)能夠產(chǎn)生飛秒級(jí)別的脈沖，而更大的挑戰(zhàn)則是如何突破飛秒的限制，進(jìn)入阿秒級(jí)的時(shí)間領(lǐng)域。

這一突破，來(lái)自科學(xué)家在高次諧波生成領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性研究。

一次激光電離氣體實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光通過(guò)惰性氣體時(shí)，會(huì)生成一系列稱(chēng)為高次諧波的光信號(hào)。神奇的是，這些諧波的強(qiáng)度并不會(huì)線性下降，而是形成一個(gè)平臺(tái)區(qū)域。它們組合成的脈沖，竟達(dá)到了阿秒級(jí)的時(shí)域。

阿秒脈沖激光的出現(xiàn)，被認(rèn)為是激光科學(xué)歷史上重要的里程碑之一。

從20世紀(jì)60年代第一道激光誕生開(kāi)始，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，激光的脈沖寬度也在不斷縮小：2001年，奧地利維也納技術(shù)大學(xué)費(fèi)倫茨·克勞茲教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，首次在實(shí)驗(yàn)中獲得了650阿秒激光脈沖；2012年，美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功將飛秒激光脈沖激發(fā)氖氣形成高次諧波，獲得了67阿秒的超短激光脈沖；2017年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家們又進(jìn)一步將脈沖時(shí)間縮短到43阿秒……

我國(guó)的阿秒激光研究雖然總體起步較晚，但追趕迅速。

公開(kāi)資料顯示，2013年，中國(guó)科學(xué)院物理所研究小組使用3.8飛秒的驅(qū)動(dòng)脈沖獲得了160阿秒的孤立脈沖。

2021年，中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所自主研制的高能量分辨阿秒條紋相機(jī)，產(chǎn)生了75阿秒的孤立阿秒脈沖，刷新了國(guó)內(nèi)的阿秒脈沖紀(jì)錄。

科學(xué)家們成功將人類(lèi)探索世界的時(shí)間尺度推進(jìn)到阿秒量級(jí)，讓人類(lèi)第一次擁有了可以用來(lái)直接測(cè)量電子動(dòng)力學(xué)行為的工具。

揭示微觀世界的奧秘

人類(lèi)認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)世界的最初工具是自己的眼睛。慢慢地，人們發(fā)現(xiàn)只依靠眼睛認(rèn)識(shí)世界具有很大局限性。

以觀看運(yùn)動(dòng)中的風(fēng)扇葉片為例。

“工作中的風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針還是逆時(shí)針？”

人類(lèi)用肉眼無(wú)法判斷。如果拿手機(jī)去拍，大概率會(huì)得到風(fēng)扇葉片運(yùn)動(dòng)的“殘影”。如果你拿高速攝像機(jī)去拍，就能拍到清晰的圖像，判斷風(fēng)扇葉片的旋轉(zhuǎn)方向。

與這個(gè)道理類(lèi)似，在阿秒激光出現(xiàn)以前，人們?cè)谂臄z電子時(shí)，得到的就是電子運(yùn)動(dòng)的“殘影”，無(wú)法判斷電子的許多性質(zhì)。阿秒激光出現(xiàn)之后，人類(lèi)開(kāi)始有機(jī)會(huì)得到電子運(yùn)動(dòng)的清晰圖像，進(jìn)而判斷這些電子的性質(zhì)。

憑借前所未有的時(shí)間分辨能力，阿秒激光為人類(lèi)打開(kāi)了通向微觀世界的“時(shí)間之窗”，讓人類(lèi)能夠在更精細(xì)的時(shí)間尺度上去“看”不同的現(xiàn)象。

需要注意的是，這里的“看”和我們?nèi)庋劢柚獾姆瓷鋪?lái)觀察物質(zhì)并不一樣，而是收集并分析脈沖激光與物質(zhì)相互作用的信息，進(jìn)而成像。例如，科學(xué)家們使用阿秒脈沖串激光和紅外激光電離氖氣，再使用速度成像譜儀測(cè)量它們電離的電子能量分布，從而在阿秒尺度上獲得氖原子內(nèi)的成像，“看”到了原子內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)。

此外，科學(xué)家還將阿秒激光技術(shù)和電子顯微鏡技術(shù)相結(jié)合，將透射電鏡的時(shí)間分辨率從飛秒量級(jí)提高到阿秒量級(jí)，用于拍攝光與物質(zhì)之間的超快相互作用。這也為光子集成電路或超材料的發(fā)展開(kāi)辟了新道路。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席伊娃·奧爾森說(shuō)：“我們現(xiàn)在可以打開(kāi)通往電子世界的大門(mén)了。阿秒物理學(xué)，使我們有機(jī)會(huì)了解電子控制的機(jī)制，下一步將是如何應(yīng)用。”

憑借著超高的時(shí)間分辨能力，阿秒激光的科學(xué)意義巨大。

在原子分子物理領(lǐng)域，阿秒激光可以用來(lái)研究原子分子中的電子結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和相互作用，例如電子軌道成像、電子遂穿、電離、解離等過(guò)程。

在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，阿秒激光可以用于研究固體材料中的電子、自旋和磁性等物質(zhì)的超快變化，例如電子相變、自旋動(dòng)力學(xué)等。

在X射線科學(xué)領(lǐng)域，阿秒激光可以用來(lái)產(chǎn)生高亮度的軟X射線和硬X射線，從而實(shí)現(xiàn)X射線的時(shí)間分辨和空間分辨，例如X射線衍射、X射線發(fā)射等技術(shù)。

如今，阿秒激光技術(shù)已經(jīng)成為物理、化學(xué)、生物等學(xué)科中重要的研究手段，世界上的許多國(guó)家都將其列為未來(lái)10年激光科學(xué)發(fā)展中重要的發(fā)展方向之一。

令人充滿(mǎn)期待的前景

時(shí)間就像一把尺子，尺子刻度越精細(xì)，測(cè)量的精度就越精細(xì)。與此同時(shí)，尺子刻度越精細(xì)，對(duì)制造尺子的工藝要求也越高，相應(yīng)的投入也越大。

當(dāng)前，世界主要科技強(qiáng)國(guó)都在加大對(duì)阿秒激光設(shè)施建設(shè)的投入。同時(shí)，隨著人工智能技術(shù)的不斷完善，未來(lái)人工智能或?qū)⑴c阿秒激光技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)等方法更加準(zhǔn)確地分析和理解相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)，推動(dòng)多領(lǐng)域在研究上有新突破，在應(yīng)用上有新拓展。

——生物醫(yī)學(xué)。聚焦的阿秒激光光束可以將相互作用區(qū)域限制在非常小的空間里，從而實(shí)現(xiàn)納米精度的操作。比如，在對(duì)組織和細(xì)胞進(jìn)行顯微操作中，阿秒激光技術(shù)可以捕捉物質(zhì)在極短時(shí)間尺度下的運(yùn)動(dòng)和變化，這有助于尋找新的治療靶點(diǎn)。再比如，應(yīng)用阿秒激光技術(shù)檢測(cè)血液樣本中的蛋白質(zhì)，可以幫助檢測(cè)癌癥的特征物質(zhì)，進(jìn)行早期癌癥篩查以及抗癌藥物的療效監(jiān)測(cè)，為研發(fā)新型藥物和治療方案提供重要依據(jù)。

——材料精密加工。當(dāng)前，制造技術(shù)逐漸向高精度、高效率、智能化方向發(fā)展，精密激光加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這些發(fā)展方向的重要手段。阿秒激光技術(shù)具有超短的脈沖頻率，將其作為激光束對(duì)材料進(jìn)行處理后，有助于提高制造材料的精度。在工作中，通過(guò)利用高能量密度激光束對(duì)材料進(jìn)行局部加熱、熔化、切割，制造的材料具有精度高、可控性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

——電子科學(xué)?？茖W(xué)家或?qū)⑼ㄟ^(guò)阿秒技術(shù)催生更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)芯片，用于實(shí)現(xiàn)更快速的量子計(jì)算。在量子計(jì)算中，量子比特之間的相互作用非常關(guān)鍵，而阿秒級(jí)別的計(jì)時(shí)可以更好地揭示這些相互作用，在信息處理和通信領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。

——激光雷達(dá)。距離測(cè)量是軍事領(lǐng)域中一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)。無(wú)論是目標(biāo)偵察還是炮火打擊，都需要精確的距離數(shù)據(jù)。而利用阿秒激光技術(shù)測(cè)距，可以大幅提高測(cè)量精度，且具有很強(qiáng)的抗干擾能力。如果將阿秒激光技術(shù)同現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)相結(jié)合，便可構(gòu)成先進(jìn)的激光雷達(dá)系統(tǒng)。相較傳統(tǒng)雷達(dá)而言，這無(wú)疑將大大提升目標(biāo)跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)、地形跟隨等任務(wù)的精度。

憑借超短的脈沖頻率和對(duì)快速運(yùn)動(dòng)過(guò)程的精確捕捉能力，阿秒激光技術(shù)在諸多領(lǐng)域擁有著廣闊的發(fā)展前景，為各行各業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供了支撐?？梢灶A(yù)見(jiàn)，科學(xué)家們將在阿秒尺度上探明更多新奇物象的機(jī)理，推動(dòng)基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)的發(fā)展。

展望未來(lái)，當(dāng)人類(lèi)從阿秒尺度邁入更快的仄秒尺度，也許我們將會(huì)揭示粒子產(chǎn)生、核聚變等更快的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，去解決更加極限的問(wèn)題。

相信人類(lèi)對(duì)未知領(lǐng)域的無(wú)盡好奇與技術(shù)的不斷成熟，將一次次突破科學(xué)極限，并將其不斷應(yīng)用于社會(huì)的更多領(lǐng)域，為我們的生產(chǎn)生活帶來(lái)更多積極的改變。（逯心一 楊秀全 臧朔陽(yáng)）