2023年諾貝爾物理學獎頒發給Pierre Agostini、Ferenc Krausz和Anne L’Huillier三位共同得獎者，以表彰他們對於為了研究物質中電子動態，開發產生阿秒級光脈衝的實驗方法。Pierre Agostini1941年生於突尼西亞，1968年於法國艾克斯-馬賽大學獲得博士學位，為美國俄亥俄州立大學教授。Ferenc Krausz於1962年生於匈牙利莫爾，1991年於奧地利維也納科技大學獲得博士學位，是馬克斯普朗克量子光學研究所所長，也是德國慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學教授；Anne L’Huillier於1958年生於法國巴黎，1986年於法國巴黎皮埃爾和瑪麗·居里大學獲得博士學位，為瑞典隆德大學教授。
 |
為什麼可以量測「阿秒」如此重要，可以獲得諾貝爾物理學獎？對於物理學有甚麼重要影響嗎？
在極端時間尺度的探索—「阿秒」，是一種極端短暫的時間單位(一阿秒是十億分之一秒的十億分之一)，使得科學家能夠觀察和測量原子和分子層面上極短暫的現象。這在過去是不可能的。這對於電子動態的研究，像是電子在原子和分子內的運動速度極快，發生在飛秒(femtosecond)到阿秒的時間範圍內，能夠量測這些極短時間尺度，意味著科學家現在可以更精確地研究電子如何在化學反應和物理過程中行為，從而深入理解物質的基本性質。除了物理之外，在化學反應的細節，也透過阿秒脈衝，讓科學家能夠「凍結」化學反應中的極短暫瞬間，從而能夠觀察和分析化學反應的基本步驟，這對化學和物理學的研究具有重大意義。
而在新技術和應用，阿秒技術的發展有可能導致新的科技和應用，例如在材料科學、生物物理學和醫學診斷領域。例如，它可以幫助開發更高效的太陽能電池，或在醫學診斷中更精確地識別病變。這項技術還可能為理解和操縱量子系統提供新的洞見，進一步推動量子計算和量子通訊的發展。
以下為翻譯自《Press release》及《Popular information》。本篇文章不僅供OT自我學習使用，也歡迎朋友們轉載並註明出處。
以光實驗捕捉瞬間最短的時刻
2023年諾貝爾物理學獎的三位得主因他們的實驗獲得表彰，這些實驗為人類提供了探索原子和分子內電子世界的新工具。皮埃爾·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和安妮·盧伊利爾(Anne L’Huillier)展示了一種創建極短光脈衝的方法，可用於測量電子移動或改變能量的快速過程。
當人類感知時，快速移動的事件彼此交織，就像由靜態圖像構成的電影被感知為持續運動一樣。如果我們想要研究真正短暫的事件，我們需要特殊的技術。在電子的世界中，變化發生在幾個十分之一阿秒內——阿秒如此短暫，以至於一秒鐘內有的阿秒數量與自宇宙誕生以來的秒數一樣多。
獲獎者的實驗產生了如此短暫的光脈衝，以至於以阿秒計量，從而證明這些脈衝可以用來提供原子和分子內部過程的影像。
1987年，安妮·盧伊利爾發現，當她通過貴氣體傳導紅外激光時，產生了許多不同的泛音。每個泛音都是一個具有給定循環次數的光波，每個循環在激光中。它們是由激光與氣體中的原子相互作用造成的；它賦予某些電子額外的能量，然後以光的形式發射出來。安妮·盧伊利爾繼續探索這一現象，為後續的突破打下了基礎。
2001年，皮埃爾·阿戈斯蒂尼成功地產生並研究了一系列連續的光脈衝，其中每個脈衝僅持續250阿秒。與此同時，費倫茨·克勞斯正在進行另一種實驗，該實驗使得能夠分離出持續650阿秒的單個光脈衝。
獲獎者的貢獻使得能夠研究如此迅速以至於之前無法追踪的過程。
「我們現在可以打開通往電子世界的大門。阿秒物理學為我們提供了了解由電子主導的機制的機會。下一步將是利用它們，」物理學諾貝爾委員會主席伊娃·奧爾森(Eva Olsson)說。
在許多不同領域都有潛在的應用。例如，在電子學中，了解和控制材料中電子的行為非常重要。阿秒脈衝還可以用來識別不同的分子，如在醫學診斷中。
透過他們的實驗，今年的得主創造了足夠短的光閃，可以捕捉電子極速運動的瞬間快照。Anne L’Huillier 發現了激光與氣體中原子相互作用的新效應。Pierre Agostini 和 Ferenc Krausz 證明了這種效應可以用來創造比以往可能的更短的光脈衝。
 |
在光脈衝中的電子
一隻小蜂鳥可以每秒拍動翅膀80次。我們只能將其感知為嗡嗡聲和模糊的運動。對於人類感官來說，快速運動模糊在一起，極短的事件無法觀察。我們需要使用技術手段來捕捉或描繪這些非常短暫的瞬間。
高速攝影和閃光燈使我們能夠捕捉到瞬間現象的詳細圖像。拍攝飛行中的蜂鳥的高度集中的照片需要的曝光時間遠短於單次翅膀拍動。事件發生得越快，拍攝的照片就需要越快，以捕捉那一瞬間。
同樣的原理適用於所有用於測量或描繪快速過程的方法；任何測量都必須比研究系統發生顯著變化所需的時間更快，否則結果將是模糊的。今年的得主進行了實驗，證明了一種產生足夠短的光脈衝來捕捉原子和分子內部過程圖像的方法。
原子的自然時間尺度極短。在分子中，原子可以在十億分之幾百萬秒，也就是飛秒內移動和轉動。這些運動可以用激光產生的最短脈衝來研究——但當整個原子移動時，時間尺度由它們龐大而沉重的核心決定，與光和靈活的電子相比，它們極為緩慢。當電子在原子或分子內部移動時，它們如此之快，以至於在飛秒內變化就變得模糊。在電子的世界裡，位置和能量的變化速度在一到幾百阿秒之間，而阿秒是十億分之一秒的十億分之一。
阿秒如此短暫，以至於一秒鐘內的阿秒數量與自宇宙誕生以來經過的秒數相同，也就是138億年。在更容易理解的尺度上，我們可以想像從房間的一端向對面的牆壁發送一道光閃——這需要100億阿秒。
飛秒長期被認為是可以產生的光閃的極限。僅僅改進現有技術不足以看到發生在電子令人驚訝的短時間尺度上的過程；需要全新的東西。今年的得主進行了實驗，開啟了阿秒物理學的新研究領域。
 |
| 原子和分子中電子的運動速度如此之快，以至於以阿秒來測量。一阿秒之於一秒，就如同一秒之於宇宙的年齡。 |
藉助高泛音產生更短脈衝
光由波組成——電場和磁場的振動——在真空中以比任何其他事物更快的速度移動。它們有不同的波長，相當於不同的顏色。例如，紅光的波長約為700奈米，是一根頭髮寬度的百分之一，它每秒約循環四千三百億次。我們可以將最短可能的光脈衝想象為光波中單個週期的長度，即它上揚至高峰、下降至低谷，然後回到起點的週期。在這種情況下，普通激光系統中使用的波長永遠無法低於飛秒，所以在1980年代這被認為是最短光脈衝的硬性限制。
描述波的數學表明，如果使用足夠多的正確尺寸、波長和振幅(波峰和波谷之間的距離)的波，可以構建任何波形。產生阿秒脈衝的訣竅是，通過結合更多更短的波長，可以製造出更短的脈衝。
觀察原子尺度上電子的運動需要足夠短的光脈衝，這意味著結合許多不同波長的短波。
要向光中添加新的波長，不僅僅需要一台激光器；訪問有史以來最短瞬間的關鍵是一種現象，當激光穿過氣體時會產生。光與其原子相互作用，產生泛音——為原始波中的每個週期完成若干個完整週期的波。我們可以將這與賦予聲音特定特性的泛音進行比較，讓我們能夠聽出同一音符在吉他和鋼琴上演奏時的不同。
 |
| 泛音在基本音的每個週期內有數個週期。光波中的泛音也是以同樣的方式工作。 |
1987年，Anne L’Huillier 和她在法國實驗室的同事們使用紅外激光束穿過貴氣體，成功產生並展示了泛音。紅外光產生的泛音比先前實驗中使用的較短波長激光更多且更強。在這個實驗中，觀察到許多大約相同光強度的泛音。
在1990年代的一系列文章中，L’Huillier 繼續探索這一效應，包括在她的新基地——隆德大學。她的結果有助於理論上理解這一現象，為下一次實驗突破奠定了基礎。
逃逸電子產生泛音
當激光進入氣體並影響其原子時，它會引起電磁振動，扭曲圍繞原子核的電子的電場。然後，電子可以從原子中逃逸出來。然而，光的電場持續振動，當它改變方向時，一個游離的電子可能會迅速返回到其原子核。在電子的遠行期間，它從激光的電場中收集了大量額外的能量，為了重新附著到核上，它必須以光脈衝的形式釋放多餘的能量。這些來自電子的光脈衝就是在實驗中產生泛音的原因。
 |
| 激光與氣體中的原子相互作用。 |
光的能量與其波長相關。所發射的泛音能量相當於紫外光，其波長比人眼可見的光短。由於能量來自激光的振動，泛音的振動將優雅地與原始激光脈衝的波長成比例。光與許多不同原子的相互作用產生具有特定波長組合的不同光波。
一旦這些泛音存在，它們就會互相作用。當光波的波峰重合時，光變得更強烈，但當一個週期的波峰與另一個的波谷重合時，光則變得弱。在適當的情況下，泛音會重合，從而產生一系列紫外光脈衝，每個脈衝長幾百阿秒。物理學家在1990年代理解了這背後的理論，但實際識別和測試這些脈衝的突破是在2001年發生的。
 |
| 實驗設置的例子。 |
Pierre Agostini 和他在法國的研究小組成功地產生並研究了一系列連續的光脈衝，就像一列有車廂的火車。他們使用了一個特殊的技巧，將「脈衝列車」與原始激光脈衝的延遲部分結合起來，以觀察泛音之間是如何同步的。這個過程還讓他們測量了列車中脈衝的持續時間，他們可以看到每個脈衝僅持續250阿秒。
與此同時，Ferenc Krausz 和他在奧地利的研究小組正在研究一種可以選擇單個脈衝的技術——就像一節車廂從火車上解脫並轉移到另一條軌道上。他們成功隔離的脈衝持續了650阿秒，該小組利用它來追踪和研究電子被從原子中拉離的過程。
這些實驗證明了阿秒脈衝可以被觀察和測量，並且它們也可以用於新的實驗。
現在阿秒世界已經變得可及，這些短暫的光脈衝可以用來研究電子的運動。現在可以產生僅幾十阿秒的脈衝，而且這項技術一直在發展。
電子的運動已經變得可及
阿秒脈衝使得可以測量電子從原子被拉離所需的時間，並檢查這需要多長時間取決於電子與原子核的結合有多緊。可以重建電子在分子和材料中從一側到另一側或從一處到另一處的分佈振蕩；以前只能測量它們的平均位置。
阿秒脈衝可以用來測試物質的內部過程，並識別不同的事件。這些脈衝已被用來探索原子和分子的詳細物理學，並且在從電子學到醫學的領域中具有潛在的應用。
例如，阿秒脈衝可以用來推動分子，從而發出可測量的信號。來自分子的信號具有特殊的結構，一種指紋類型，揭示了它是什麼分子，可能的應用包括醫學診斷。
沒有留言:
張貼留言