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2023年诺贝尔物理学奖揭晓——产生阿秒激光脉冲的实验方法

发布时间:2023-10-04

2023 10 3 日北京时间 17 45 分,2023 年诺贝尔物理学奖授予美国俄亥俄州立大学的皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini),德国马克斯普朗克量子光学研究所的费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)和瑞典隆德大学的安妮·勒伊耶(Anne L'Huillier),以表彰其为研究物质中电子动力学而产生阿秒激光脉冲的实验方法。

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皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini),1941年出生于突尼斯,法国物理学家,1961年获法国艾克斯-马赛大学物理学学士学位;1968年获法国艾克斯-马赛大学博士学位;1969年进入法国原子能委员会巴黎萨克雷大学分会(CEA Saclay)工作,历任研究员、高级专家、科学顾问;2004年任俄亥俄州立大学物理系教授;2018年任俄亥俄州立大学名誉教授;2023年获诺贝尔物理学奖。主要研究领域为高次谐波的产生、飞秒产生、激光与物质相互作用、多光子过程等。

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费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz),1962517日出生于匈牙利莫尔,匈牙利、奥地利双重国籍,物理学家,奥地利科学院院士,欧洲科学与艺术学院院士,匈牙利科学院院士,欧洲科学院院士,俄罗斯科学院院士,欧洲人文和自然科学院院士,德国国家科学院院士,诺贝尔物理学奖获得者,德国马克斯·普朗克量子光学研究所主任、德国慕尼黑大学教授。主要研究领域为超短脉冲激光技术、高场物理、阿秒物理等。

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安妮·勒伊耶(Anne L'Huillier),法国物理学家,瑞典隆德大学教授,诺贝尔物理学奖获得者。1958 年出生于法国巴黎。1986年获得法国巴黎皮埃尔和玛丽居里大学博士学位。她领导着一个阿秒物理小组,该小组实时研究电子的运动,用于了解原子水平上的化学反应。2003年,她和她的团队以170阿秒的最小激光脉冲打破了世界纪录。

长久以来,对快速运动现象的观察和研究,都是人类认识自然现象和推动科学进步的动力之一。世界的物质大都是由分子和原子组成,它们都在不停地飞速运动着,这是微观物质的一个非常重要的基本属性。要观察特征时间更短的分子尺度的微观运动过程,比如观测分子的转动和振动过程、电子从激发态回到基态的弛豫过程则需要皮秒到飞秒量级(1飞秒=10-15 s)的时间分辨率。微波电子学和超快光子学是超快科学的核心手段,飞秒激光的出现使人类第一次在原子和分子层面上观察到超快运动过程。然而,为了更加深入地观察电子的运动以及对其进行控制。而电子绕原子核的运动周期已经达到了阿秒量级(1 阿秒=10-18 s),飞秒激光所能够达到的时间分辨尺度以及对应的空间分辨尺度 (100nm) 显然是不能满足条件的,所以要观察电子甚至原子核内的运动过程, 需要时间分辨率进一步达到阿秒甚至仄秒(1 仄秒=10-21 s),这同样只能通过阿秒激光来实现。阿秒科学最早研究的内容之一是电子的量子跃迁行为。研究方法有阿秒瞬态吸收光谱(ATAS)2013, Krausz研究组采用飞秒泵浦-阿秒探测这一实验手段获得了熔融石英的ATAS, 明确了阿秒脉冲调控电介质的可行性。2014, 加州大学伯克利分校的Leone研究组及合作者们利用极紫外光ATAS探测了半导体材料硅(Si)中电子从价带跃迁到导带的实时行为。

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还有阿秒时间分辨-角分辨光电子能谱。2016-2017, 美国国家标准与技术研究所和科罗拉多大学的Murnane研究组利用这个方法进行了一系列研究,表明了材料中光电子行为弛豫时间与能带结构存在密切的关联。

2013,中国科学院物理研究所魏志义课题组实现了160 as孤立阿秒脉冲测量实验结果,这是我国在阿秒科学领域的重大突破。随后,华中科技大学、国防科技大学和中国科学院西安光学精密机械研究所的研究团队也先后实现了阿秒激光脉冲的产生和测量。这些重要进展为人们利用阿秒激光开展原子内部电子动力学的研究, 揭示发生在微观世界瞬态过程中的科学问题提供了前所未有的机遇。

光的产生、化学键的形成和断裂都来自于原子尺度的电子运动。化学键可以改变生物分子的结构及其在生命系统中的功能,也负责尽可能快地传递信息。所以了解电子的微观运动也可以帮助人类最基本的层面上了解疾病的起源,或将信息处理推进到最终的速度极限。

阿秒科学的另一个前沿是将现代电子学的表面控制方法与强光相结合,实现阿秒脉冲聚焦,其中焦点可以再缩小到100纳米尺度上,甚至可以达到10纳米。所以未来光与物质的相互作用甚至可以在纳米尺度上进行控制。

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阿秒激光的发展,可以说集成了激光科学最激动人心的故事,由于其潜在的重要应用,早在2006年,就在G.Mourou等人的建议下,欧盟确定了在匈牙利建设以阿秒激光为主体的大科学设施计划ELI-ALPS,目前已初步建成并开放使用。实际上阿秒激光不断创造最短脉冲世界纪录的演化发展,是建立在克尔透镜锁模(KLM)、啁啾脉冲放大(CPA)、参量啁啾脉冲放大(OPCPA)、载波包络相位(CEP)锁定及HHG等技术之上的。尽管由于篇幅所限,有些重要的技术原理和精彩故事未能一一提及,但毫不影响这些技术的的重要程度,在目前广泛使用的超快激光产品中,人们会注意到这些技术的核心作用。那么高次谐波与阿秒脉冲作为孪生的兄弟,毫无疑问值得诺贝尔奖。