物理学中的一些过程发生在眨眼之间，而另一些过程则发生在光子的眨眼之间。今年的诺贝尔物理学奖授予俄亥俄州立大学的皮埃尔·阿戈斯蒂尼、德国加兴马克斯·普朗克量子光学研究所的费伦茨·克劳斯和瑞典隆德大学的安妮·吕利耶，以表彰他们发展了超快激光脉冲领域。吕利耶是仅有的第五位女性获得诺贝尔物理学奖。
这些脉冲的尺度为阿秒——十亿分之一秒。这个持续时间非常短，以至于一秒钟内的阿秒数量几乎与宇宙历史中的秒数一样多。根据瑞典皇家科学院的新闻稿，今年的奖项颁发给“用于研究物质中电子动力学的阿秒光脉冲的实验方法”。
诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森在今天的新闻发布会上说：“阿秒科学使我们能够解决基本问题。” 在原子层面，电子和原子核的运动通常发生在阿秒的时间尺度上。在 19 世纪后期，早期摄影师使用相机来确定马在疾驰时是否所有蹄子都离开了地面——这个过程对于人眼来说太快而无法辨别。（剧透：马确实完全离开地面。）今天的研究人员希望通过使用超快激光器来更清晰地观察原本模糊的原子过程，从而在阿秒时间尺度上做到同样的事情。
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苏黎世瑞士联邦理工学院的物理学家乌苏拉·凯勒说：“当您观察超快过程的影响时，它们是生命中许多重要机制固有的。” 光子转化为电子的过程，例如光合作用，甚至基本的视觉，都发生在阿秒时间范围内。“梦想真的是看到电子移动。我认为这越来越接近现实，”伦敦大学学院的理论物理学家卡拉·法里亚说。
阿秒科学家对该奖项感到非常兴奋。“我真的、真的非常兴奋，并为获得诺贝尔奖的人感到非常自豪，”瑞典于默奥大学的物理学家拉斯洛·维斯说。凯勒表示同意，并特别指出了吕利耶。“这真是一位绝对值得的女性，”她说。“我希望不再有人讨论‘某人仅仅因为是女性而获得诺贝尔奖’或诸如此类的愚蠢言论。”
产生极短脉冲的光并非易事。多年来，光脉冲一直停留在飞秒范围内（一飞秒是 1000 阿秒）。这足以分辨化学反应中的分子——这一壮举赢得了 1999 年的诺贝尔化学奖——但它不足以发现速度更快的电子的曲折运动。问题是根本性的：即使是最短的物理上可实现的光学激光脉冲也有几个飞秒的长度。“你无法产生比一个波长更短的脉冲，”意大利米兰理工大学的物理学家毛罗·尼索利说。因此，为了突破飞秒障碍，物理学家需要产生波长更短的光。
一种方法是称为高次谐波产生 (HHG) 的过程，其中电子吸收几个低能量光子并吐出一个高能量光子。但是几十年前，HHG 似乎提供了递减的回报，发射的光子数量随着能量的升高而减少，最终逐渐消失。然后，在 1987 年，吕利耶和她的同事向氩气发射红外激光，并看到了一些有趣的事情：发射的光子数量没有随着能量的增加而减少，而是保持稳定。“安妮·吕利耶发现的是这个平台，”凯勒说。“这真是一个游戏规则改变者。”
在几年内，吕利耶和该领域的其他人弄清楚了在这种特殊的 HHG 装置中发生了什么。氩气中的电子正在进行一个复杂的三步舞，首先通过量子力学隧道效应离开原子，然后加速远离原子，最后又落回原子的怀抱，将它们的能量以高能量光子的形式释放出来。这在一个初始激光脉冲期间会发生多次，并导致从气体中产生一连串超快、阿秒尺度的闪光。
从吕利耶关于 HHG 的工作到可用的阿秒源需要两项关键创新。首先，研究人员必须测量脉冲时序，其次，他们必须产生单个孤立脉冲。通常，当激光需要定时时，它们是用较短的激光脉冲测量的。“你如何测量最短时间长度的东西的持续时间？” 维斯反问道。答案是你必须用它本身来测量它，他说。一种使用此原理的技术称为频率分辨光学选通 (FROG)，它不适用于阿秒脉冲，因为它们的能量太低。
在 FROG 的基础上，阿戈斯蒂尼创建了一种称为 RABBIT（通过双光子跃迁干涉重建阿秒节拍）的方法，该方法通过将光学激光的电场与阿秒脉冲结合使用。（维斯说，激光技术通常以动物命名。）与此同时，克劳斯独立开发了一种类似的方法，用于他的单脉冲，称为阿秒条纹。研究人员能够表征世界上最短脉冲的定时，现在拥有了阿秒源，可以以前所未有的时间尺度观察宇宙。
借助阿戈斯蒂尼、克劳斯和吕利耶开发的新型探针，研究人员现在可以生成仅几十阿秒的激光脉冲。进一步改进这些方法以生成更短的脉冲有望加深科学家对电子动力学和应用的理解。尼索利指出，虽然飞秒激光器可用于密切监测化学反应，但阿秒脉冲非常精确，以至于它们可用于推动电子本身，有可能将被动观察转变为前所未有的尺度上对化学的主动控制。阿秒脉冲甚至可以控制固体的性质，在瞬间将绝缘体变成导体，然后再变回绝缘体。
还有更根本的可能性，例如更详细地探索爱因斯坦著名的光电效应，其中光子撞击金属，导致金属发射电子。“每个人都认为这是瞬时的，而阿秒物理学表明并非如此，这引发了许多理论研究，”维斯说。
像往常一样，该奖项对获奖者来说是一个惊喜。当吕利耶接到通知时，她正在讲课，错过了斯德哥尔摩打来的最初几个电话。在走到外面接听电话后，她回到讲座，并在那里继续教学，没有告诉她的学生任何事情。“教学非常非常重要。对我来说，这非常重要，”她在颁奖典礼上通过电话告诉瑞典皇家科学院秘书长汉斯·埃勒格伦。
编者注（2023 年 10 月 3 日）：本报道已更新。