發明世界上「最快的相機」　諾獎得主復旦開講

（香港文匯網記者章蘿蘭 上海報道）「阿秒是10的負18次方秒，而1阿秒是多快？」第十四期「浦江科學大師講壇」日前在復旦大學相輝堂舉行。諾貝爾物理學獎得主、瑞典隆德大學教授、瑞典皇家科學院院士安妮·呂利耶（Anne L'Huillier），以「阿秒脈衝的探索之旅」為題，與上海市高校及中學師生代表面對面暢談。這是她第一次到訪中國。

2023年，她與皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）共同榮獲諾貝爾物理學獎，以表彰他們「為研究物質中電子動力學而開發出產生阿秒光脈衝的實驗方法」。這項開創性發現推動了超快激光科學和阿秒物理的進步，讓人們得以對微觀世界的原子、分子和固體中的電子運動開展觀測並成像。

發明超快「相機」 捕捉電子的舞蹈

如果一隻鳥兒以每秒1米的速度掠過天空，我們可以輕鬆用眼睛追隨它。但如果換作一顆擊穿蘋果的子彈，它的速度快到用肉眼無法捕捉，只有藉助高速攝像機，使用慢動作回放，我們才能看清蘋果破裂的瞬間。

相比之下，自然界微觀世界的粒子運動更快。以氫原子為例，其電子繞原子核運動一周的時間大約是150乘以10-18秒，即150阿秒。

1阿秒有多短？呂利耶打了一個比方，目前可以觀測到的最長時間尺度是宇宙的年齡，大約為140億年。1阿秒比1秒，就相當於1秒比整個宇宙年齡的長短。

要看清原子內電子的運動，就需要曝光時間短至阿秒量級的超快「照相機」。阿秒激光脈衝，就是這樣的相機閃光燈。可是，製造阿秒量級的超快光脈衝極為困難。根據物理規律，超短光脈衝往往包含寬範圍的頻率分布。長期以來，如何獲得可控的寬帶光譜，並將其壓縮成穩定的超短脈衝，一直是超快光科學的重要挑戰。

上世紀80年代末，當時還是法國薩克雷核研究中心年輕研究員的呂利耶，意外下找到了解決這一問題的辦法。在一次實驗中，她用一束普通的紅外激光去照射氣體，意外發現了一種現象：氣體發出了一種「光的泛音」。就像你彈一下吉他弦，它不但發出基音，還發出更高頻率的泛音。這裏，氣體發出的「泛音」是極紫外光，而且這些泛音疊在一起，在時間上竟然形成了一連串極短的光閃，短到只有阿秒級別。

這就是「高次諧波」現象。高次諧波之所以能產生阿秒光脈衝，是因為它在頻率上覆蓋了極寬的「光譜帶寬」，根據數學中的傅里葉變換，寬的帶寬在時間上對應着極短的脈衝。

「讓我們一起來看這張『三步模型』示意圖。」在現場，呂利耶展示了高次諧波效應產生的經典物理圖像。她解釋，在強激光場中，一個電子從原子中被「拽出」、加速、最後撞回原子核並釋放高能光子，在這一過程中，每次回撞會產生一個阿秒光脈衝。

發現高次諧波效應之後，呂利耶發表了一系列文章，繼續探索這一現象。它像一個意外的禮物，讓呂利耶等科學家擁有了阿秒光脈衝，得以逐步創造出夢寐以求的「超高速相機」。

隨着近20年科技的快速發展，尤其是飛秒和阿秒激光技術以及相關探測技術的發展。科學家們已經具備了非常先進的阿秒脈衝產生和測量技術，實驗室可以獲得脈寬接近甚至短於20阿秒的光脈衝。

「通過神奇的阿秒光脈衝，我們得以看見並認識微觀世界。」然而，從觀察微觀世界的粒子運動，到理解規律，再到利用這些規律來改造微觀世界，仍然是一個漫長的過程。正如呂利耶所言：「我從事這個領域的研究工作已經大約40年了，在這個過程中，我們不斷看到並學習新事物。未來，我們還將朝着阿秒物理學的更深處邁進。」

阿秒級光脈衝 開啟微觀世界新紀元

在阿秒級光脈衝發現之前，科學家對微觀世界超快過程的觀測極限，停留在「飛秒」尺度。

1飛秒又有多快？它是1秒的一千萬億分之一，是10-15秒。憑藉飛秒激光這一「超級快門」，科學家得以「拍攝」化學反應中原子核的振動、化學鍵的斷裂與形成。正是這項突破，為哈邁德·澤維爾（Ahmed H. Zewail）贏得了1999年的諾貝爾化學獎，掀起了第一次「超快革命」。

然而，在原子內部，電子的運動速度比原子核快千倍，其運動的時間尺度是更短的「阿秒」級別。用飛秒「快門」去捕捉電子，得到的只是一片模糊的拖影。想要真正捕捉電子的動態，時間分辨率必須實現從飛秒到阿秒的三個數量級的終極跨越。

阿秒激光脈衝的誕生，正是一場更深刻的「超快革命」。其最深遠的影響，不止於突破觀測極限，更在於它將百年物理難題，即光電效應中電子的「瞬時」發射，轉變為了一個可觀測、可測量的科學課題。

通過阿秒精度的「泵浦-探測」實驗，科學家證實光電效應並非絕對瞬時，不同條件下電子逸出存在幾十至幾百阿秒的延遲。這一延遲源於電子與原子核的複雜相互作用及量子隧穿效應。如今，電子發射時間已成為可精確定量的物理參數。阿秒技術不僅將愛因斯坦的「光子」概念拓展為動態過程，讓微觀世界的時間維度真正向人類敞開。

「阿秒脈衝就像一台超級相機，能讓我們觀測到許多電子運動的現象。」呂利耶指出。這不僅僅是觀測工具的升級，更是對物質基本相互作用認知的顛覆。

與飛秒技術帶來的革命一樣，阿秒技術也或將改變世界。「阿秒物理學的理念是，首先能夠「觀看」原子分子在電子發射初始階段的運動。一旦我們能『觀看』，也許下一步就能去『控制』它們。」這意味着，人類對微觀世界的干預，正從被動觀察邁向主動操控的新境界。

如今，阿秒科學已成為匯聚多學科智慧的前沿陣地，持續驅動源頭創新。在物理學中，它正幫助科學家破解高溫超導、量子材料背後的電子奧秘；在化學與生物醫學領域，它讓直接觀測電荷轉移、DNA輻射損傷機制成為可能，為理解生命過程和研發新藥提供了革命性的工具；在工業領域，基於阿秒的極紫外光源已開始用於納米級半導體結構的無損檢測，為下一代電子產品的製造保駕護航。

面對未來，呂利耶充滿期待，也保持着科學家的審慎。她表示，從觀察到理解，再到最終控制與利用，這是一個需要不斷探索新事物的過程，而這正是科學研究最核心、最持久的驅動力。

當日，上海市政協副主席吳信寶出席講壇並為呂利耶頒發「浦江科學大師講壇」主講人證書，復旦大學校長、中國科學院院士金力主持講壇。