走进科学
什么是阿秒脉冲，我们能用它做什么
最近公布了2023年诺贝尔物理学奖，它被授予Pierre Agostini、Ferenc Krausz和Anne L Huillier，以表彰他们在“生成光的阿秒脉冲以研究物质中的电子动力学的实验方法”方面所做的工作。
随着公布，诺贝尔基金会发布的文件对基础知识进行了很好的解释。但是一个关键问题是：阿秒脉冲为什么令人兴奋，你能用它做到什么是其他方法无法做到的?
突破在哪里?
在20世纪20-30年代量子力学被发现和形式化的时候，我们对物理学的理解深深植根于宏观世界。我们理解像原子和分子这样的微观实体是存在的，也很快对它们的基本结构有了很好的理解，但是在很长一段时间里，它们对我们来说是非常遥远和抽象的对象，其行为是如此脱离我们的日常经验，以至于深入研究它们几乎没有意义。
举个例子，如果你加热一个装有钠的小瓶，瓶中的气体样品可能会在特定波长发射或吸收光。通过量子力学数学计算，你可以预测这些波长应该是什么，对应着能级间的量子跃迁。
但是，你真的能说每个气体原子正在做什么吗?如果你只能访问宏观气体样品，而无法访问任何单个原子，你如何确定那些“量子跃迁”是真实的呢?
此外，相同的量子力学预计原子中的动力学非常迅速，比当时任何实验技术快上许多个数量级。那么，你真的能说电子在“移动”吗?更让人困惑的是，适用于这类实验的特定量子力学数学更多地关注“轨道”和“能级”，以及那些神秘的量子跃迁将它们联系在一起。
这样的话，将那些轨道和能级视为“真实”对象，而不再认为微观世界中存在任何运动，可能更加合理。
但是，我们现在生活在一个非常不同的世界。我们不仅有扫描电镜等工具，可以观察组成金属表面原子，我们还能用精密的电“镊子”捕捉并控制单个原子，这使我们可以直接对其进行探询。结果发现，每个原子确实在执行传说中的量子跃迁，这出乎我们的意料。更普遍地说，自21世纪以来，观察和控制单个量子系统已经成为常规工作。
微观系统动力学及我们直接观察它们的能力也有类似的进步。随着激光、Q开关和模态锁定的发现，激光脉冲变得前所未有的快速，首先比微秒快，然后比纳秒快，70和80年代的工作使我们能够创造皮秒甚至更短的脉冲。如果你用一种称为散相脉冲放大的技术推动激光系统(它曾获得过诺贝尔奖)，你可以使脉冲达到阿秒量级。这对光脉冲来说已经非常快了，快到光脉冲不再是周期性的电场振荡，而只持续几个周期。但这还不够快。
为什么呢? 因为原子更快。
要理解原子有多快，做一些基本的量纲分析就可以了。原子内电子的动力学受薛定谔方程支配，
它只涉及三个核心常数:约化普朗克常数、电子质量和电子电荷。这些常数可以组合成一个独特的时间标度，称为原子时间单位，
它以阿秒为单位: 1阿秒=10^-18秒。根据经验，动力学可能会稍快或稍慢，但通常会在这个数量级上。
这意味着，相应地，原子中的电子动力学似乎完全无法被直接观察，因为光的振荡周期仍然比它慢得多。所以你可能认为直接观察像原子动力学这样快速的事物完全不可能。
那么，如何制造阿秒脉冲呢?
这就是今天公布的重大突破所在。我们的主要方法是高次谐波发生，它利用气体和激光脉冲之间的强非线性相互作用生成尖锐的辐射爆发，也就是著名的阿秒脉冲，其持续时间可以比驱动过程的激光脉冲周期短很多，只有几十阿秒。
从实验角度来看，你只需要一个相对较长波长和缓慢周期的近红外激光脉冲，将它照射到气体池中，确保脉冲足够强烈。有多强烈?非常强烈，强烈到可以直接将气体原子中的电子拽出，电子脱离后在场中震荡(如果允许的话，这样强烈的脉冲甚至会烧毁激光放大器)。
这是1987年Anne L Huillier耶领导的团队完成的。令人惊讶的是，他们观察到气体发出了谐波，即原驱动波长的整分之一波长的光。这种现象是已知的，但L Huillier等人发现，如果驱动脉冲足够强烈，它可以在非常高的阶数产生各种各样的谐波，随着阶数增加，发射的衰减非常缓慢。
发生了什么？Paul Corkum肯阐明了基本物理机制，这被称为三步模型。
简而言之，激光脉冲可以视为一个恒定的力，在势能上形成一个线性斜坡，它围绕电子所在的势阱缓慢振荡和倾斜。在场强最大时，它足以将电子拽出，电子随后在场中振荡并获得能量，直到撞上刚才离开的势阱，这时它会与离子重新结合，并以锐利的辐射爆发释放积累的大量动能。
这次碰撞具有两大特点:它非常剧烈(因此辐射具有高频率和高能)，且非常短暂(一闪而过)，正是这种短暂性导致了发射辐射的短脉冲。
另外两部分诺贝尔奖就是为直接创建和检测这些短暂光脉冲而颁发的。
经常出现的情况是(因为驱动脉冲很长，三步模型可以发生多次)，发射呈阿秒脉冲列状，多个尖锐爆发快速连续出现。皮埃尔·阿戈斯蒂尼第一个直接观测了脉冲列中单个爆发的持续时间，使用一种叫做RABBIT的技术(从那时起，阿秒科学为各种技术取了“动物”主题的缩写)，他的团队证明脉冲确实非常短，可达250阿秒。
另一方面，你也可以投入时间和精力找到方法来“閘控”发射，使脉冲列中只出现一个爆发。这种閘控是Ferenc Krausz的团队实现的，他们隔离出单个脉冲，持续时间为650阿秒。
当然，这个领域继续进行创新，使阿秒脉冲更加可靠和稳健，也不断缩短其持续时间。据我所知，当前的记录是43阿秒，非常非常短。
阿秒脉冲有什么用途?
现在我们进入最有趣的部分。假设你已经制造出一个阿秒脉冲，你能用它做什么?
直接观察光的波动
对我来说，最激动人心的用途之一是“阿秒径迹法”。其基本原理是将一个短的阿秒脉冲和气体池中的一个较慢的红外脉冲重叠。
阿秒脉冲具有足够的光子能把气体电离，我们知道这必须发生在阿秒脉冲内。电离后，缓慢的红外脉冲的电场振荡会影响电子的最终动能，但具体影响程度取决于电子的释放时间，所以通过改变两者的时间延迟，我们可以扫描这个电场。它实现了对电场振荡的直接观测(左为原始数据，右为重构的电场)，这个任务在我们确定光是波(但只有间接证明)几十年后曾被认为不可能或难以想象。
直接观察原子内电子运动
类似地，我们也可以观察原子内电子的运动。我在另一篇文章中详细讨论了这一点，简而言之，如果你将电子准备在两个不同能级的量子叠加状态，例如氢原子的1s和2p状态，那么随时间，原子中的电荷密度会振荡:
这不是一个纯理论概念，我们可以在实验中对其进行直接观察。第一个具有里程碑意义的实验展示了一个明确的振荡，其中由自旋轨道作用引起的振荡电荷分布导致短脉冲的吸收程度也发生明确的相应振荡:
一个备受喜爱的例子是观察具有生物相关性的分子苯丙氨酸中的电荷振荡动力学。一个相对较短的近红外激光脉冲使分子电离，然后一个非常短的阿秒脉冲进行探测。分子内所产生的复杂动力学导致信号出现明显的振荡(图显示总体衰减及指数背景上的振荡)，时间尺度非常短，只有在阿秒脉冲的条件下才能观察到。
实时观察量子干涉的建立
我再举一个直接计时观测的例子，因为我认为它们非常酷。这又涉及自由电子的量子叠加状态。当一个原子被电离时，一个电子被释放，一个光子被吸收。更重要的是，电子被释放到的能级细节会被印制到光的吸收谱中。
特别是，如果接近一个共振，电子可以直接电离，或者在一个高激发自动电离态短时间存在(这里和这里有解释)，然后衰变。最终结果是电子进入这两条通道的量子叠加状态，在吸收谱中出现量子干涉并导致非球形。
此外，这种共振可以用来增强高次谐波发生本身，这被称为共振高次谐波发生。
所以，阿秒脉冲开启了直接实时观测原子尺度超快过程的新纪元，其应用前景广阔。
本文译自 Physics Stack Exchange，由 BALI 编辑发布。