了解阿秒级光脉冲：诺贝尔获奖研究背后的微小时间尺度

2023 年诺贝尔物理学奖表彰了三位研究人员利用阿秒级光脉冲所做的工作，这些工作彻底改变了对电子快速运动的研究，拓宽了物理和化学各领域的认识。一个由三位研究人员组成的小组获得了2023年诺贝尔物理学奖，他们的工作彻底改变了科学家研究电子的方式--用阿秒长的闪光照亮分子。但是，阿秒到底有多长，这些无限短的脉冲又能告诉研究人员有关物质性质的什么信息呢？
我第一次了解到这一研究领域还是在读物理化学研究生的时候。我的博士生导师的研究小组有一个项目，专门用阿秒脉冲研究化学反应。在了解阿秒研究为何能获得科学界最负盛名的奖项之前，我们先来了解一下什么是阿秒脉冲光。
阿秒有多长？
"阿托"是科学记数法的前缀，代表 10-18，即一个小数点后跟 17 个 0 和一个 1。因此，持续一阿托秒或 0.00000000000001 秒的闪光是极短的光脉冲。事实上，一秒中的阿秒数与宇宙年龄中的秒数相等。
与一秒相比，阿秒小得令人难以置信。图片来源：©Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

以前，科学家可以用飞秒（10-15）光脉冲来研究较重、运动较慢的原子核的运动。一千阿秒等于一飞秒。但在产生阿秒级光脉冲之前，研究人员无法看到电子尺度上的运动--电子的运动速度太快，科学家们无法在飞秒级别上准确解析电子的运动。
阿秒脉冲
电子在原子和分子中的重新排列引导着物理学中的许多过程，实际上也是化学各个部分的基础。因此，研究人员投入了大量精力来弄清电子是如何移动和重新排列的。
然而，电子在物理和化学过程中的移动速度非常快，因此很难对其进行研究。为了研究这些过程，科学家们使用了光谱学，这是一种研究物质如何吸收或发射光线的方法。为了实时跟踪电子，研究人员需要一个比电子重新排列所需的时间更短的光脉冲。

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泵浦探针光谱学是物理和化学领域的一项常用技术，可以使用阿秒级光脉冲进行研究。
打个比方，想象一下一台只能拍摄较长曝光时间（约 1 秒）的照相机。运动中的物体，如向相机跑来的人或飞过天空的鸟，在拍摄的照片中会显得模糊不清，很难看清到底发生了什么。然后，想象一下使用 1 毫秒曝光的相机。现在，之前模糊不清的运动将被很好地解析成清晰而精确的快照。这就是使用阿秒尺度而非飞秒尺度如何阐明电子行为的。
阿秒研究
那么，阿秒脉冲可以帮助回答哪些研究问题呢？
首先，化学键的断裂是自然界的一个基本过程，在这个过程中，两个原子之间共享的电子会分离成未结合的原子。在这一过程中，先前共享的电子会发生超快变化，而阿秒脉冲使研究人员有可能跟踪化学键的实时断裂过程。
产生阿秒脉冲的能力--三位研究人员凭借这项研究获得了 2023 年诺贝尔物理学奖--在 2000 年代初首次成为可能，此后该领域持续快速发展。通过提供原子和分子的较短快照，阿秒光谱学帮助研究人员了解单分子中的电子行为，例如电子电荷如何迁移以及原子间的化学键如何断裂。
在更大范围内，阿秒技术还被用于研究电子在液态水中的行为以及固态半导体中的电子转移。随着研究人员不断提高产生阿秒光脉冲的能力，他们将对构成物质的基本粒子有更深入的了解。
作者：Aaron W. Harrison，奥斯汀学院化学助理教授。