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2023 年诺贝尔物理学奖揭晓,三位科学家因阿秒光脉冲获奖

2023/10/3 17:50:45 来源:IT之家 作者:问舟 责编:问舟

IT之家 10 月 3 日消息,2023 年诺贝尔物理学奖宣布授予皮埃尔・阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、费伦茨・克劳斯 (Ferenc Krausz) 和安妮・卢利尔 (Anne L'Huillier),以表彰他们“为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”。

官方表示,“他们的贡献使人们能够研究以前无法跟踪的极短过程”,而 1100 万瑞典克朗(IT之家注:约合 730 万元人民币)的奖金将由三位获奖者平分。

瑞典皇家科学院表示,三位物理学家“展示了一种制造极短光脉冲的方法,可用于测量电子移动或能量变化的快速过程”,这“为人类探索原子和分子内部的电子世界提供了新的途径”。

由于人们对世界观察的时间尺度达到了阿秒(as,即 10-18 s)量级,人们可观察的空间分辨也能够达到原子尺度(0.1 nm)和亚原子尺度(例如括分子键的断裂与重组)。

在这样的时间和空间尺度范围内,人们对生物、化学和物理的研究边界也变得不断模糊,因为这些微观现象的根源在于电子的运动。

因此,阿秒光脉冲应运而生。阿秒脉冲激光的出现被认为是激光科学历史上最重要的里程碑之一,应用前景难以估量,目前已经成为物理、化学、生物等众多领域重要的研究手段。

简单来说,我们一般根据发光持续时间的长短将激光分为连续激光和脉冲激光,其中脉冲激光工作方式是在一个个间隔的小时间段内发射光脉冲,其峰值功率很高。

随着激光技术的不断发展,激光的脉冲宽度也在不断缩小。2001 年,费伦茨・克劳斯研究组在实验上成功地利用气体高次谐波产生了脉宽为 650 as 的单个光脉冲,使光脉冲宽度首次达到阿秒量级,再后来其宽度不断突破,例如我国西安光机所在 2021 年就获得了 75 as 的阿秒光脉冲产生与测量结果。

说到这里大家应该就已经理解了一半,阿秒光脉冲就是一种发光持续时间极短的光脉冲,其脉冲宽度小于 1 fs(飞秒,即 10-15 s)。

值得一提的是,目前阿秒脉冲激光主要也是由飞秒激光(也称超快超强激光)作用于惰性气体而产生的高次谐波所形成的。

阿秒光脉冲的出现使人们能够结合阿秒量级的超高时间分辨率和原子尺度的超高空间分辨率,实现对原子-亚原子微观世界中的极端超快过程的控制和了解的梦想。

鉴于其巨大的潜在应用价值,美国、欧洲、日本等将阿秒激光技术列为未来 10 年激光科学发展最重要的发展方向之一。

在阿秒光脉冲出现之前, 产生超短脉冲激光的理论基础一直是爱因斯坦的能级跃迁受激辐射。根据受激辐射理论,处于束缚能级上的电子只能在原子核附近运动,所储存的能量有限。一般上下两能级跃迁所发射光子对应的波长都处在可见光附近,可见光一个光学周期一般 都在 1 fs 以上,显然难以用来进一步产生更短的阿秒光脉冲。

目前,人们多将阿秒光脉冲应用于研究原子和分子中的超快电子动力学,关于原子的物理现象主要是原子内电子电离、多电子俄歇衰变、电子激发弛豫和成像等,而关于分子的研究主要是分子的解离过程和控制、分子的振动和转动与超快电子运动的耦合等。

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关键词:诺贝尔奖科学

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