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建個“高速攝影機”，我們一起“抓”電子！

寧若楊

2025年03月13日 01:38

趙 昆

新年伊始，傳來好消息——國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施先進阿秒激光正式啟動工程建設(shè)。這一項目分為兩個部分，東莞部分和西安部分，分別由中國科學(xué)院物理研究所和西安光學(xué)精密機械研究所建設(shè)。擬通過5年左右的時間，建設(shè)以阿秒時間分辨能力為主要特點的綜合性超快電子動力學(xué)研究設(shè)施。這一設(shè)施波長覆蓋極紫外、軟X射線與太赫茲輻射等波段，擁有10條超快光束線和22個研究終端，能實現(xiàn)對電子運動和電子關(guān)聯(lián)的跟蹤測量和操控，進而解釋物質(zhì)狀態(tài)演化規(guī)律，為實現(xiàn)基礎(chǔ)研究的重大突破提供有力支撐。

阿秒究竟是什么秒？

1秒，很短。阿秒，更短——它是人類迄今為止能夠掌握的最短時間單位，1阿秒僅為一百億億分之一秒（10-18秒）。我們知道，光速是人類已知的速度極限。1秒時間里，光可以穿越30萬千米，相當(dāng)于繞地球赤道7圈半；而在1阿秒內(nèi)，光只能傳播0.3納米的距離，大概相當(dāng)于一兩個硅原子的長度。

在宏觀世界中，我們很難想象這么短的時間里能發(fā)生什么事情。但在微觀世界里，改變，就發(fā)生在1阿秒中——電子的運動可以用阿秒來測量。用學(xué)術(shù)的語言來說，電子運動的特征時間就是阿秒。

我們在日常生活中會接觸到各種物理和化學(xué)現(xiàn)象，例如固體中的電流、超導(dǎo)現(xiàn)象、芯片中的計算、光伏發(fā)電、電燈發(fā)光、水結(jié)冰、電池放電、液晶屏顯示、酒精殺死細(xì)菌等，其終極物理基礎(chǔ)都是微觀粒子的運動和相互作用。

而微觀粒子也有大小之分。電子是常見的微觀粒子中質(zhì)量最小的，質(zhì)子或原子核的質(zhì)量約為電子的1000多倍。因此，在所有物理過程中，電子的速度比原子分子快得多。這也是為什么電子運動和電子關(guān)聯(lián)，是最基礎(chǔ)、最核心的物理過程。

特征時間在飛秒（也是時間單位，等于1000阿秒）或更長時間尺度下的原子和分子運動，其實發(fā)生在電子的運動之后，是電子運動的結(jié)果。就我們目前所知，電子是物質(zhì)中首先響應(yīng)、并推動其他微觀粒子運動的原因。因此，要想真正透徹地了解這些物理現(xiàn)象，就必須研究電子的超快運動。

用什么來研究？方法很多。最直接的莫過于能“捕捉”電子運動的高速攝影機了。我們知道，在短跑、游泳等體育運動中，高速攝像機是一項利器。這種高速攝像機的時間分辨能力比人眼還強大，能捕捉到人眼無法觀測到的每一個動作細(xì)節(jié)，拍成一幀幀照片，再進行有針對性的改善和提升。

要想給電子拍“紀(jì)錄片”，就得研制與電子運動相匹配的設(shè)備——電子運動的特征時間在阿秒量級，就必須使用阿秒激光才能觀測其運動。可以說，阿秒激光將人類探索世界的時間分辨率推進到了阿秒尺度，是一臺能夠捕捉電子運動的“高速攝影機”，深入到了電子動力學(xué)分辨的層次，開啟了超快科學(xué)的新時代。

阿秒激光首次為人們提供了直接測量電子動力學(xué)的工具，能夠“錄”到電子運動的每一幀軌跡，為研究物理、化學(xué)、材料、信息、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科中的重大科學(xué)問題提供了嶄新的技術(shù)手段，有望在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域催生顛覆性的、里程碑式的突破，因此建設(shè)先進阿秒激光設(shè)施具有重要的科學(xué)意義和國家戰(zhàn)略意義。

阿秒激光是如何產(chǎn)生的？

那么，如此之短的阿秒激光該如何產(chǎn)生呢？它與我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降幕鸸?、燈光，或是電腦屏幕發(fā)出的光都不一樣；與普通激光的產(chǎn)生方式也不相同——阿秒激光源于電子的運動。這是因為電子運動實在太快了，由其他運動或過程產(chǎn)生的光脈沖都不可能與電子運動時間尺度相當(dāng)，最終只能靠電子自己測量自己。

要說清楚這個問題，我們先來說說什么是光電效應(yīng)。1905年, 愛因斯坦發(fā)表了他最著名的研究成果之一——光電效應(yīng)，也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎。在這一理論中，愛因斯坦將光描述為一種粒子，稱為光子。被光照射時, 金屬中的電子每次可以吸收一個光子從而獲得光子的能量。如果光子的能量足夠大，這個電子就能夠逃離金屬，造成光電效應(yīng)。

在氣體原子中也有類似的情況。由于電子帶負(fù)電、原子核帶正電，它們互相吸引，導(dǎo)致電子只能在原子核附近運動。如果電子想擺脫原子核的束縛飛走，就需要吸收一定的能量。在原子物理中，這個過程叫作“電離”。電離過程比較復(fù)雜，簡單地解釋，就是在強度比較高的激光場中，電子有可能一次吸收多個光子的能量從而電離。在電離實驗中，隨著激光強度的提高，人們發(fā)現(xiàn)，觀察到的光電子有可能具有很高的能量，說明電離過程中電子吸收了很多個光子的能量。這種后來被稱為“閾上電離”的現(xiàn)象，是在1979年由物理學(xué)家皮埃爾·阿戈斯蒂尼發(fā)現(xiàn)的。大約10年后，人們又發(fā)現(xiàn)，這些獲得了很高能量的電子還有可能再回到原子核附近，并且把這些能量再釋放出來，釋放出的能量就形成了阿秒激光。

這個過程實際上要復(fù)雜得多，需要利用復(fù)雜的實驗設(shè)備進行精密地控制才能實現(xiàn)。因此，在此后的十幾年間，科學(xué)家一直無法在實驗中穩(wěn)定觀測。

進入21世紀(jì)后，國際上才有多個研究小組在實驗中測量到了阿秒激光，并且將其脈沖寬度一步步縮短。2017年，美國和瑞士的研究組分別測量得到了53和43阿秒的阿秒激光脈沖寬度，是迄今為止人類測量到的最短的激光脈沖。2013年中國科學(xué)家首次獲得130阿秒的激光脈沖；2024年，國內(nèi)的研究小組獲得51阿秒的激光脈沖，基本追平了國際上的前沿成果。

先進阿秒激光設(shè)施有什么用？

2023年10月，諾貝爾物理學(xué)獎授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費倫茨·克勞斯和安妮·呂利耶，以表彰他們?yōu)檠芯课镔|(zhì)中電子動力學(xué)而產(chǎn)生阿秒激光脈沖的實驗方法。

阿秒激光為什么如此重要？因為阿秒激光不單是時間尺度的進步，更重要的是能將人們研究物質(zhì)微觀運動的能力，從原子分子推進到原子內(nèi)部，進而對電子運動進行直接探測，實現(xiàn)對其物理性質(zhì)的理解，進而控制原子內(nèi)電子的動力學(xué)行為。換句話說，我們最終將能夠操縱單個微觀粒子。而這必將引發(fā)基礎(chǔ)物理研究的重大革命。

例如，我們可以用阿秒脈沖去跟蹤化學(xué)反應(yīng)中的電子，去了解甚至操控反應(yīng)的進程；可以仔細(xì)觀察光電池和半導(dǎo)體芯片中的電子，尋找更高效的太陽能電池和更高速度的芯片；可以度量超導(dǎo)體中的電子對，去尋找揭開超導(dǎo)秘密的鑰匙；可以儲存和操作量子計算機中的電子和光子。我們甚至可以用阿秒激光這把“鑷子”，來分析病毒或者蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和行為，或是把藥物放進生病的細(xì)胞，癌癥等疑難雜癥就有可能被治愈。

如今，我國先進阿秒激光設(shè)施已經(jīng)開建。它是世界第二個、亞洲第一個阿秒激光科研設(shè)施。建成后，其性能將超越歐洲已部分建成的極端光設(shè)施中的阿秒脈沖光源裝置。

那么，阿秒激光設(shè)施是如何實現(xiàn)的呢？簡單地說，需要光源和研究終端。超快光束線是提供脈沖式激光光源的科研裝置，其輸出的激光脈沖持續(xù)時間極短，因此被稱為超快光源。而研究終端則是可以放置樣品并開展物理學(xué)、化學(xué)或生物學(xué)實驗的測量設(shè)備。兩相結(jié)合，將束線輸出的激光導(dǎo)入終端，以開展超快光學(xué)實驗研究，就形成了阿秒激光設(shè)施。

先進阿秒激光設(shè)施將是自由電子激光裝置、同步輻射裝置之外極具先進性的新型光源，并有望領(lǐng)先國際水平。同時，它也將成為建設(shè)地區(qū)的新名片之一，有利于提升區(qū)域科技的國際影響力，并推動經(jīng)濟發(fā)展，凝聚全球高端科技力量，發(fā)揮科學(xué)設(shè)施的集聚效應(yīng)，大幅度提升源頭創(chuàng)新能力，促進重大科技前沿問題的突破和重大成果的產(chǎn)出。先進阿秒激光設(shè)施也將在我國基礎(chǔ)前沿、高科技產(chǎn)業(yè)、國防科技等多個領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用，推動多學(xué)科原始創(chuàng)新和重大應(yīng)用，支撐我國在新一輪世界科技革命中搶占先機，助力社會經(jīng)濟和國家安全的跨越式、高質(zhì)量發(fā)展。

先進阿秒激光設(shè)施就是科學(xué)研究的終點嗎？不！再進一步, 當(dāng)人類探索更短的時間尺度時, 就需要通過某種更快的媒介獲得仄秒（千分之一阿秒）激光，這個媒介很可能要在光與原子核、質(zhì)子或中子的相互作用中尋找，其本身的特征時間就應(yīng)該在仄秒量級。隨著科研的進展，我們相信，超快光學(xué)也終將跨過仄秒的門檻！

（作者：趙 昆，系先進阿秒激光設(shè)施總工程師、中國科學(xué)院物理研究所研究員）