建造超快“阿秒”级激光器的物理学家获得2023诺贝尔物理学奖

原文作者：Davide Castelvecchi & Katharine Sanderson

Pierre Agostini, Ferenc Krausz和Anne L’Huillier因建造超短光脉冲获奖。它让更深入地研究电子成为了可能。

今年的诺贝尔物理学奖颁发给了三名物理学家——美国俄亥俄州立大学的Pierre Agostini，德国马克斯·普朗克量子光学研究所的Ferenc Krausz，以及瑞典隆德大学的Anne L’Huillier，以表彰他们对阿秒光脉冲的研究。

阿秒物理让科学家能在极短时间尺度下研究非常小的粒子（阿秒是10的-18次方秒）。三位获奖者都做实验制造出了这种超快的激光脉冲，它可以用来在最小的尺度下探测我们的世界，在化学、生物学和物理学领域中都有应用。

瑞典皇家科学院10月3日宣布了获奖者名单。三人可以分享1100万瑞典克朗（约100万美元）的奖金。

获奖者之一是历史上获颁物理学奖的第五位女性（见“诺贝尔奖的性别偏差”）。在此前的221位获奖者中，只有四位女性：1903年因辐射现象获奖的玛丽·居里（Marie Curie）、1963年发现了一些原子结构详情的Maria Goeppert-Mayer、2018年研究激光物理的Donna Strickland，和2020年研究超大质量黑洞的Andrea Ghez。

L’Huillier接到获奖电话的时候在上课。“之后那半个小时的课程可不好上了。”她在宣布奖项后的一场新闻发布会上说，“你知道的，拿这个奖的女性不太多，所以这非常非常特别。”

“产生阿秒长光脉冲打开了通向极短时间尺度的大门，也让我们进入了电子的世界。”诺贝尔物理学奖委员会主席Eva Olsson说，“1925年，Werner Heisenberg说这世界是看不见的。有了阿秒物理学之后，情况就不一样了。”

在意大利米兰理工大学研究阿秒物理学的电子工程师Mauro Nisoli说，今年选出来的获奖者让他“非常高兴”。几位都“实至名归”，马克斯·玻恩非线性光学与短周期光谱研究所的研究员Marc Vrakking补充，“他们一个接一个为这个领域做出了很大的贡献”。Vrakking和领域内的其他专家今天在西班牙巴塞罗那参加一场阿秒物理会议的时候听到的消息。“知道之后，所有人都听不进演讲啦。”

Vrakking补充说，他很惊讶委员会选出的都是实验物理学家。这一领域“要是没有理论物理学家的重要贡献，就不可能发展到今天的程度”，他补充说。

阿秒科学

运动速度快到拍不了照的物体会产生一道光带。用一道极快速闪烁的光，就能让物体看上去像是冻结在了时间里一样。阿秒的光脉冲就是用的这个原理，让我们能走进一个崭新的世界，看到很多原本以为不可能看到的现象。

阿秒的故事是从1980年代开始的，当时L’Huillier和她的同事们在巴黎-萨克雷大学研究氩离子。当他们把气体放到红外激光下的时候，气体产生出了一系列更高频率的光子，也就是说氩放出的这些光子比激发它们的激光里的光子能量更高[1]。所有这些光子都是激光光子的“泛音”——就像是钢琴里重复弹同样的键但高出几个八度。

L’Huillier和其他研究者——其中包括了当时在加拿大国家研究委员会工作的物理学家Paul Corkum——很快解明了气体产生出这种高次谐波[2]背后的物理，从而发现了被称为“再碰撞”的现象。当激光波击中原子时，光波的电场可以把一个电子扯掉，留下一个正离子。但如果波的频率正合适，它快速振荡的场会立刻转向相反的方向，然后在电子脱离前将它重新推回离子上。回归的电子的能量通常会比将原子变成离子所需要的能量更多。而这多出来的能量就会被释放成为新的高频光子。

L’Huiller意识到这些高频光子可以被用来产生极短的光脉冲，因此启动了一个项目来提高高次谐波的强度。2001年，同样任职于巴黎-萨克雷大学的Pierre Agostini所领导的团队首先将高次谐波成功地变成了阿秒尺度的光脉冲[3]。关键在于，Agostini研发出了一种技术来测量脉冲的时长，并确认它们处于阿秒量级——此前从未有人做到。

激光聚焦

最开始，阿秒脉冲是快速连续的，两个脉冲之间的间隔太近，无法应用。为了用它们来探测阿秒级的物理现象，研究者们需要独立的脉冲。要实现这一目的，就需要从本身就很短，最多几千阿秒的激光脉冲着手。Krausz于1990年代末开发出了这些技术，Nisoli在米兰的团队也有贡献。在维也纳大学2001年的一项实验中，Krausz将他的激光器和生成高次谐波的技术结合，产生了650阿秒的脉冲——首次突破了此前1000阿秒的大关[4]。“早期他是唯一一个拥有阿秒科学所需要的理想激光技术的人。”Vrakking说。

在接下来的几年里，Krausz的团队和其他人使用这一技术进行了一系列先驱性的阿秒科学实验。研究者们测量了光电效应，也就是光从原子上扯下电子的速度[5，6]。物理学家们已经知道这是一个非常复杂的过程，也假设电子并不是瞬间被释放出来的，但直到阿秒科学出现为止都没办法测量出真正的时长。

很快，这项技术就从测量单个原子推广到分子甚至固体和液体上。阿秒脉冲可以揭示出分子失去电子、离子化之后发生了什么：剩下的电子会重新排列，“早在原子核意识到发生什么之前好一会”，Nisoli说。研究者们现在正在努力将这项技术拓展到“阿秒化学”上，尝试用光脉冲引导化学键非瞬时地生成和断裂。

“驱动这项研究的是非常基础的问题——我们能不能造出短脉冲，又能用它来做什么？”L'Huillier说。“要达到能应用在医药、半导体或化学领域的程度，还需要更多时间。”