发明世界上“最快的相机”,诺奖得主复旦开讲!

“阿秒是10的负18次方秒,而1阿秒是多快?”
今天(4月18日)上午,第十四期“浦江科学大师讲坛”在复旦大学相辉堂举行。诺贝尔物理学奖得主、瑞典隆德大学教授、瑞典皇家科学院院士安妮·吕利耶(Anne L'Huillier),以“阿秒脉冲的探索之旅”为题,与上海市高校及中学师生代表面对面畅谈。这是她第一次到访中国。

2023年,她与皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)和费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)共同荣获诺贝尔物理学奖,以表彰他们“为研究物质中电子动力学而开发出产生阿秒光脉冲的实验方法”。这项开创性发现推动了超快激光科学和阿秒物理的进步,让人们得以对微观世界的原子、分子和固体中的电子运动开展观测并成像。
上海市政协副主席吴信宝出席讲坛并为吕利耶颁发“浦江科学大师讲坛”主讲人证书,复旦大学校长、中国科学院院士金力主持讲坛。上海市政协科技和教育委员会、市科委、市科协、市科技党委、市教委、世界顶尖科学家协会以及复旦大学各职能部门和院系的相关负责人、代表、上海市高校及中学师生代表出席活动。


发明超快“相机”
捕捉电子的舞蹈
如果一只鸟儿以每秒1米的速度掠过天空,我们可以轻松用眼睛追随它。但如果换作一颗击穿苹果的子弹,它的速度快到用肉眼无法捕捉,只有借助高速摄像机,使用慢动作回放,我们才能看清苹果破裂的瞬间。
相比之下,自然界微观世界的粒子运动更快。以氢原子为例,其电子绕原子核运动一周的时间大约是150乘以10-18秒,即150阿秒。
1阿秒有多短?吕利耶打了一个比方,目前可以观测到的最长时间尺度是宇宙的年龄,大约为140亿年。1阿秒比1秒,就相当于1秒比整个宇宙年龄的长短。

要看清原子内电子的运动,就需要曝光时间短至阿秒量级的超快“照相机”。阿秒激光脉冲,就是这样的相机闪光灯。可是,制造阿秒量级的超快光脉冲极为困难。根据物理规律,超短光脉冲往往包含宽范围的频率分布。长期以来,如何获得可控的宽带光谱,并将其压缩成稳定的超短脉冲,一直是超快光科学的重要挑战。
上世纪80年代末,当时还是法国萨克雷核研究中心年轻研究员的吕利耶,意外下找到了解决这一问题的办法。在一次实验中,她用一束普通的红外激光去照射气体,意外发现了一种现象:气体发出了一种“光的泛音”。就像你弹一下吉他弦,它不但发出基音,还发出更高频率的泛音。这里,气体发出的“泛音”是极紫外光,而且这些泛音叠在一起,在时间上竟然形成了一连串极短的光闪,短到只有阿秒级别。
这就是“高次谐波”现象。高次谐波之所以能产生阿秒光脉冲,是因为它在频率上覆盖了极宽的“光谱带宽”,根据数学中的傅里叶变换,宽的带宽在时间上对应着极短的脉冲。

“让我们一起来看这张‘三步模型’示意图。”在现场,吕利耶展示了高次谐波效应产生的经典物理图像。她解释,在强激光场中,一个电子从原子中被“拽出”、加速、最后撞回原子核并释放高能光子,在这一过程中,每次回撞会产生一个阿秒光脉冲。
发现高次谐波效应之后,吕利耶发表了一系列文章,继续探索这一现象。它像一个意外的礼物,让吕利耶等科学家拥有了阿秒光脉冲,得以逐步创造出梦寐以求的“超高速相机”。

随着近20年科技的快速发展,尤其是飞秒和阿秒激光技术以及相关探测技术的发展。科学家们已经具备了非常先进的阿秒脉冲产生和测量技术,实验室可以获得脉宽接近甚至短于20阿秒的光脉冲。
“通过神奇的阿秒光脉冲,我们得以看见并认识微观世界。”然而,从观察微观世界的粒子运动,到理解规律,再到利用这些规律来改造微观世界,仍然是一个漫长的过程。正如吕利耶所言:“我从事这个领域的研究工作已经大约40年了,在这个过程中,我们不断看到并学习新事物。未来,我们还将朝着阿秒物理学的更深处迈进。”
阿秒级光脉冲
开启微观世界新纪元
在阿秒级光脉冲发现之前,科学家对微观世界超快过程的观测极限,停留在“飞秒”尺度。
1飞秒又有多快?它是1秒的一千万亿分之一,是10-15秒。凭借飞秒激光这一“超级快门”,科学家得以“拍摄”化学反应中原子核的振动、化学键的断裂与形成。正是这项突破,为哈迈德·泽维尔(Ahmed H. Zewail)赢得了1999年的诺贝尔化学奖,掀起了第一次“超快革命”。
然而,在原子内部,电子的运动速度比原子核快千倍,其运动的时间尺度是更短的“阿秒”级别。用飞秒“快门”去捕捉电子,得到的只是一片模糊的拖影。想要真正捕捉电子的动态,时间分辨率必须实现从飞秒到阿秒的三个数量级的终极跨越。
阿秒激光脉冲的诞生,正是一场更深刻的“超快革命”。其最深远的影响,不止于突破观测极限,更在于它将百年物理难题,即光电效应中电子的“瞬时”发射,转变为了一个可观测、可测量的科学课题。
通过阿秒精度的“泵浦-探测”实验,科学家证实光电效应并非绝对瞬时,不同条件下电子逸出存在几十至几百阿秒的延迟。这一延迟源于电子与原子核的复杂相互作用及量子隧穿效应。如今,电子发射时间已成为可精确定量的物理参数。阿秒技术不仅将爱因斯坦的“光子”概念拓展为动态过程,让微观世界的时间维度真正向人类敞开。

“阿秒脉冲就像一台超级相机,能让我们观测到许多电子运动的现象。”吕利耶指出。这不仅仅是观测工具的升级,更是对物质基本相互作用认知的颠覆。
与飞秒技术带来的革命一样,阿秒技术也或将改变世界。“阿秒物理学的理念是,首先能够“观看”原子分子在电子发射初始阶段的运动。一旦我们能‘观看’,也许下一步就能去‘控制’它们。”这意味着,人类对微观世界的干预,正从被动观察迈向主动操控的新境界。
如今,阿秒科学已成为汇聚多学科智慧的前沿阵地,持续驱动源头创新。在物理学中,它正帮助科学家破解高温超导、量子材料背后的电子奥秘;在化学与生物医学领域,它让直接观测电荷转移、DNA辐射损伤机制成为可能,为理解生命过程和研发新药提供了革命性的工具;在工业领域,基于阿秒的极紫外光源已开始用于纳米级半导体结构的无损检测,为下一代电子产品的制造保驾护航。
面对未来,吕利耶充满期待,也保持着科学家的审慎。她表示,从观察到理解,再到最终控制与利用,这是一个需要不断探索新事物的过程,而这正是科学研究最核心、最持久的驱动力。
“不断学到新的东西
是我前进的动力”
从法国原子能委员会的年轻研究员,到辗转瑞典、美国做博士后,再到最终在隆德大学建立起自己的研究团队,吕利耶的职业轨迹一步一个脚印,坚实而丰富。
“我的性格是比较坚韧的,而且在研究过程中能不断学到新的东西,这是我前进的动力。”她笑着说道。也正因如此,2023年的诺贝尔物理学奖,对吕利耶而言更像是对一段工作长期积累的确认,而不是对某一个瞬间的突破的表彰。

吕利耶既是一名科学家,也是一名老师。获奖那天,吕利耶当时正在给一百多名学生上课,接到消息后,她并没有中断教学,而是将课程完整收尾。“这些学生也成为了我获奖经历的一部分。”而当话题转到科研与教学的关系时,她也明确表示:“教学占据了我全部工作的一半以上。”在她看来,研究并不是只停留在论文和实验室里,教学可以把我们的研究成果落到实处,还能激发下一代年轻学者对科学的热情和爱好。
而谈到具体的研究经验,吕利耶特别分享了那些不按预期发生的时刻——实验结果和理论不一致,并不意味着失败,反而可能是新的科研入口。“比如在1987年的时候,我们当时只是想发现荧光反应,但是意外观察到了高次谐波,我认为这个故事展现了真实实验的重要性。理论和实验同样重要,这两者要互相结合。”
有现场观众把问题抛向更远的未来:“您觉得阿秒脉冲可能会对我们的生活在未来十年带来什么样的变化?”在吕利耶看来,相关技术在化学和物理学等领域已经出现了一些应用案例,在集成电路检测等工业生产中也有潜力,但整体来看,阿秒技术的大规模推广落地“还需要时间和更多的观察”。

“现在我国很多学生都会前往欧洲深造,您怎么看待这个现象?”被问及这个问题时,曾有过多国学习研究经历的吕利耶则表示,自己在法国、瑞典、美国等不同环境中工作带来的感受是,这些经验会带来思维方式的拓展,“我非常鼓励在座的学生来到瑞典或者其他欧洲国家深造。”
身为全球第五位诺贝尔物理学奖女性得主,吕利耶的获奖证明了女性科学家的巨大潜力。“我已经作过很多次讲座,以往提问的人里男性比例都比较高,但今天在这里,我发现积极参与发言的很多都是女生,”问答环节的末尾,吕利耶给出了自己身为女性科研工作者的敏锐观察,“我认为女性多投身科学事业是非常好的趋势,请大家坚持下去。”
讲坛结束后,吕利耶与复旦学生代表在现代物理研究所冷餐会上继续交流,现场气氛热烈。


组稿:校融媒体中心
文字:邓晗 陈晨 葛近文
摄影:浦江大师讲坛
视频:戚心茹 金灵依
编辑:邱洁心
责编:邓晗
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