物理學中的一些過程發生在眨眼之間，而另一些過程則發生在光子的眨眼之間。今年的諾貝爾物理學獎授予俄亥俄州立大學的皮埃爾·阿戈斯蒂尼、德國加興馬克斯·普朗克量子光學研究所的費倫茨·克勞斯和瑞典隆德大學的安妮·呂利耶，以表彰他們發展了超快雷射脈衝領域。呂利耶是僅有的第五位女性獲得諾貝爾物理學獎。
這些脈衝的尺度為阿秒——十億分之一秒。這個持續時間非常短，以至於一秒鐘內的阿秒數量幾乎與宇宙歷史中的秒數一樣多。根據瑞典皇家科學院的新聞稿，今年的獎項頒發給“用於研究物質中電子動力學的阿秒光脈衝的實驗方法”。
諾貝爾物理學委員會主席伊娃·奧爾森在今天的新聞釋出會上說：“阿秒科學使我們能夠解決基本問題。” 在原子層面，電子和原子核的運動通常發生在阿秒的時間尺度上。在 19 世紀後期，早期攝影師使用相機來確定馬在疾馳時是否所有蹄子都離開了地面——這個過程對於人眼來說太快而無法辨別。（劇透：馬確實完全離開地面。）今天的研究人員希望透過使用超快雷射器來更清晰地觀察原本模糊的原子過程，從而在阿秒時間尺度上做到同樣的事情。
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蘇黎世瑞士聯邦理工學院的物理學家烏蘇拉·凱勒說：“當您觀察超快過程的影響時，它們是生命中許多重要機制固有的。” 光子轉化為電子的過程，例如光合作用，甚至基本的視覺，都發生在阿秒時間範圍內。“夢想真的是看到電子移動。我認為這越來越接近現實，”倫敦大學學院的理論物理學家卡拉·法里亞說。
阿秒科學家對該獎項感到非常興奮。“我真的、真的非常興奮，併為獲得諾貝爾獎的人感到非常自豪，”瑞典于默奧大學的物理學家拉斯洛·維斯說。凱勒表示同意，並特別指出了呂利耶。“這真是一位絕對值得的女性，”她說。“我希望不再有人討論‘某人僅僅因為是女性而獲得諾貝爾獎’或諸如此類的愚蠢言論。”
產生極短脈衝的光並非易事。多年來，光脈衝一直停留在飛秒範圍內（一飛秒是 1000 阿秒）。這足以分辨化學反應中的分子——這一壯舉贏得了 1999 年的諾貝爾化學獎——但它不足以發現速度更快的電子的曲折運動。問題是根本性的：即使是最短的物理上可實現的光學雷射脈衝也有幾個飛秒的長度。“你無法產生比一個波長更短的脈衝，”義大利米蘭理工大學的物理學家毛羅·尼索利說。因此，為了突破飛秒障礙，物理學家需要產生波長更短的光。
一種方法是稱為高次諧波產生 (HHG) 的過程，其中電子吸收幾個低能量光子並吐出一個高能量光子。但是幾十年前，HHG 似乎提供了遞減的回報，發射的光子數量隨著能量的升高而減少，最終逐漸消失。然後，在 1987 年，呂利耶和她的同事向氬氣發射紅外雷射，並看到了一些有趣的事情：發射的光子數量沒有隨著能量的增加而減少，而是保持穩定。“安妮·呂利耶發現的是這個平臺，”凱勒說。“這真是一個遊戲規則改變者。”
在幾年內，呂利耶和該領域的其他人弄清楚了在這種特殊的 HHG 裝置中發生了什麼。氬氣中的電子正在進行一個複雜的三步舞，首先透過量子力學隧道效應離開原子，然後加速遠離原子，最後又落回原子的懷抱，將它們的能量以高能量光子的形式釋放出來。這在一個初始雷射脈衝期間會發生多次，並導致從氣體中產生一連串超快、阿秒尺度的閃光。
從呂利耶關於 HHG 的工作到可用的阿秒源需要兩項關鍵創新。首先，研究人員必須測量脈衝時序，其次，他們必須產生單個孤立脈衝。通常，當雷射需要定時時，它們是用較短的雷射脈衝測量的。“你如何測量最短時間長度的東西的持續時間？” 維斯反問道。答案是你必須用它本身來測量它，他說。一種使用此原理的技術稱為頻率分辨光學選通 (FROG)，它不適用於阿秒脈衝，因為它們的能量太低。
在 FROG 的基礎上，阿戈斯蒂尼建立了一種稱為 RABBIT（透過雙光子躍遷干涉重建阿秒節拍）的方法，該方法透過將光學雷射的電場與阿秒脈衝結合使用。（維斯說，雷射技術通常以動物命名。）與此同時，克勞斯獨立開發了一種類似的方法，用於他的單脈衝，稱為阿秒條紋。研究人員能夠表徵世界上最短脈衝的定時，現在擁有了阿秒源，可以以前所未有的時間尺度觀察宇宙。
藉助阿戈斯蒂尼、克勞斯和呂利耶開發的新型探針，研究人員現在可以生成僅幾十阿秒的雷射脈衝。進一步改進這些方法以生成更短的脈衝有望加深科學家對電子動力學和應用的理解。尼索利指出，雖然飛秒雷射器可用於密切監測化學反應，但阿秒脈衝非常精確，以至於它們可用於推動電子本身，有可能將被動觀察轉變為前所未有的尺度上對化學的主動控制。阿秒脈衝甚至可以控制固體的性質，在瞬間將絕緣體變成導體，然後再變回絕緣體。
還有更根本的可能性，例如更詳細地探索愛因斯坦著名的光電效應，其中光子撞擊金屬，導致金屬發射電子。“每個人都認為這是瞬時的，而阿秒物理學表明並非如此，這引發了許多理論研究，”維斯說。
像往常一樣，該獎項對獲獎者來說是一個驚喜。當呂利耶接到通知時，她正在講課，錯過了斯德哥爾摩打來的最初幾個電話。在走到外面接聽電話後，她回到講座，並在那裡繼續教學，沒有告訴她的學生任何事情。“教學非常非常重要。對我來說，這非常重要，”她在頒獎典禮上透過電話告訴瑞典皇家科學院秘書長漢斯·埃勒格倫。
編者注（2023 年 10 月 3 日）：本報道已更新。