什么是阿秒

阿秒是一個(gè)非常短的時(shí)間單位，1阿秒=10^-18秒。到底有多短呢？1秒中光傳播的距離可以繞地球7.5圈，而1阿秒中光只能從水分子的一端傳播到另一端。

圖1. 光在不同時(shí)間尺度下傳播的距離。

換個(gè)角度，如果將1阿秒與1秒相比，相當(dāng)于將1秒與宇宙的年齡相比。

圖2. 從電子運(yùn)動(dòng)到宇宙年齡的時(shí)間示意。

為什么需要阿秒激光脈沖

眾所周知，要用照相機(jī)捕捉運(yùn)動(dòng)中物體的姿態(tài)，必須用足夠快的快門速度，把曝光時(shí)間限制在一個(gè)極短的時(shí)間范圍內(nèi)，在這個(gè)時(shí)間范圍，物體可以認(rèn)為是不動(dòng)的。因此運(yùn)動(dòng)越快的物體，需要的曝光時(shí)間越短，比如要拍攝運(yùn)動(dòng)中的高速跑車，需要毫秒量級(jí)的曝光時(shí)間；要拍攝核爆瞬間的景象，需要納秒量級(jí)的曝光時(shí)間。

然而，比起這些宏觀運(yùn)動(dòng)，微觀粒子具有更快的運(yùn)動(dòng)速度；作為構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接決定著物質(zhì)的性質(zhì)，因此研究它們的動(dòng)力學(xué)行為非常重要。

圖3. 分子中不同的運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度。

圖3是常見微觀粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度。分子轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間尺度為皮秒量級(jí)，振動(dòng)的時(shí)間尺度在飛秒量級(jí)?；瘜W(xué)反應(yīng)中，最后形成分子的兩個(gè)原子甚至常常需要納秒才能相遇。這些原子的運(yùn)動(dòng)行為由相關(guān)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所決定，而電子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度常常在阿秒量級(jí)，比如基態(tài)氫原子中電子繞核運(yùn)動(dòng)一周需要150阿秒。

現(xiàn)代超快激光技術(shù)的發(fā)展使得激光脈沖的持續(xù)時(shí)間在皮秒甚至飛秒的時(shí)間范圍，提供了前所未有的時(shí)間分辨能力，成為研究原子、分子運(yùn)動(dòng)行為的唯一工具，相關(guān)研究領(lǐng)域稱為超快科學(xué)。那么要研究原子、分子、固體中電子的動(dòng)力學(xué)行為就需要阿秒的時(shí)間分辨率，這就需要阿秒激光脈沖。

阿秒激光脈沖的產(chǎn)生和測(cè)量

由于可見光的周期為1~3個(gè)飛秒，激光脈沖一般很難短于對(duì)應(yīng)的光波周期，因此要產(chǎn)生阿秒脈沖，激光波長(zhǎng)應(yīng)處于極紫外及X射線波段。傳統(tǒng)的方法無法產(chǎn)生如此短的脈沖和波長(zhǎng)。目前獲得阿秒脈沖需要通過飛秒激光與惰性氣體相互作用產(chǎn)生高次諧波這種極端非線性過程。將高能量的飛秒激光脈沖聚焦并與惰性氣體作用，當(dāng)焦點(diǎn)上激光功率密度達(dá)到10^14 W/cm2，相互作用區(qū)域原子核外電子在線偏振激光場(chǎng)的作用下在原子核的兩邊振動(dòng)。

由于激光場(chǎng)太強(qiáng)（與原子核吸引電子的庫(kù)倫場(chǎng)差不多），電子振動(dòng)的幅度可以遠(yuǎn)大于原子的尺寸，或者說電子在振動(dòng)中脫離了原子核的束縛，在強(qiáng)激光場(chǎng)中加速，當(dāng)激光場(chǎng)反向電子再次回到原子核周圍時(shí)，將在此過程中吸收的成百上千的光子能量以新的光子釋放，回到起初的狀態(tài)。新釋放的光子能量達(dá)到激光光子能量的幾百到上千倍處于極紫外。這樣的過程每半個(gè)光波周期就發(fā)生一次，從而輻射過程短于半個(gè)光波周期（1飛秒左右），形成以半個(gè)光波周期為間隔的一串阿秒脈沖。

圖4. 阿秒脈沖產(chǎn)生的示意圖。

對(duì)微觀粒子超快過程的測(cè)量需要使用泵浦探測(cè)技術(shù)，先由泵浦激光脈沖與待測(cè)系統(tǒng)相互作用，激發(fā)起一個(gè)超快過程，再由探測(cè)激光脈沖通過一定延時(shí)與系統(tǒng)作用，通過測(cè)量不同延時(shí)下相互作用的最后產(chǎn)物就可以獲得整個(gè)超快過程的演化規(guī)律。

上述高次諧波產(chǎn)生過程所獲得的是阿秒脈沖串，并不適合泵浦探測(cè)實(shí)驗(yàn)。要獲得真正研究電子運(yùn)動(dòng)的工具，必須產(chǎn)生單個(gè)阿秒脈沖，這就需要將高次諧波的產(chǎn)生限制在極短的時(shí)間范圍內(nèi)，從而只得到脈沖串中的一個(gè)。主要方法有振幅選通、偏振選通和電離選通等。

圖5. 高次諧波產(chǎn)生原理示意圖。

阿秒脈沖測(cè)量的主要方法為阿秒條紋相機(jī)法，這種方法以阿秒脈沖為泵浦光，以載波包絡(luò)相位鎖定的周期量級(jí)激光脈沖的電場(chǎng)振蕩為時(shí)間參考，通過周期量級(jí)的激光場(chǎng)加速阿秒脈沖電離的光電子，將電子波包的時(shí)間分布轉(zhuǎn)化為動(dòng)能分布，通過精細(xì)測(cè)量光電子動(dòng)能最終獲得阿秒脈沖的時(shí)間特性。

這種方法不僅可以測(cè)量脈寬、啁啾等時(shí)間特性，還可以掃描出測(cè)量中所用周期量級(jí)激光場(chǎng)的波形曲線，實(shí)現(xiàn)了人類第一次在阿秒時(shí)間尺度上對(duì)光波波形的成像。同時(shí)此方法也可以在已知阿秒脈的情況下測(cè)量電子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間特性。

阿秒激光脈沖研究的歷史和現(xiàn)狀

高次諧波產(chǎn)生發(fā)現(xiàn)于1987年，然而直到2001年，法國(guó)的一個(gè)課題組才第一次測(cè)量到阿秒脈沖串的脈寬，也是在這一年，奧地利的Krausz教授帶領(lǐng)的小組通過振幅選通的方法測(cè)到了第一個(gè)單個(gè)阿秒脈沖。振幅選通的關(guān)鍵在于產(chǎn)生一個(gè)載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的，周期量級(jí)的高強(qiáng)度飛秒脈沖，對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)提出了非常苛刻的要求，目前世界上只有為數(shù)不多的實(shí)驗(yàn)室能夠完成。

后來他們又用這種方法，通過3.3飛秒的脈沖驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生了80阿秒的脈沖，成為世界上第一個(gè)獲得100阿秒以下脈沖的研究小組。偏振選通是利用了高次諧波產(chǎn)生的偏振依賴性——驅(qū)動(dòng)光必須為線偏振光，構(gòu)造出一個(gè)只在極短的時(shí)間內(nèi)為線偏振的脈沖，其驅(qū)動(dòng)的高次諧波只在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生。2006年，意大利科學(xué)家用這種方法產(chǎn)生了脈寬為130阿秒的脈沖。美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)的常增虎教授在偏振選通的基礎(chǔ)上發(fā)明了雙光學(xué)選通方法，通過驅(qū)動(dòng)光中加入二倍頻使得阿秒脈沖串的脈沖時(shí)間間隔由半個(gè)周期增加到一個(gè)周期，從而使得驅(qū)動(dòng)脈寬的限制放寬到10飛秒。

他們利用這種方法，獲得了當(dāng)時(shí)世界上最短的激光脈沖67阿秒。2017年在西安召開的國(guó)際阿秒物理會(huì)議上，該課題組與瑞士的科學(xué)家各自報(bào)道了新的世界紀(jì)錄——53阿秒。以上所有這些方法，對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬都有極為嚴(yán)苛的要求，同時(shí)都要求載波包絡(luò)相位穩(wěn)定。目前能夠滿足這些要求的激光脈沖，在實(shí)驗(yàn)上很難產(chǎn)生，只有少量實(shí)驗(yàn)室擁有這樣的條件。

我國(guó)在飛秒激光技術(shù)及超快應(yīng)用研究方面具有較好的研究基礎(chǔ)，在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家“攀登計(jì)劃”項(xiàng)目及973等項(xiàng)目的持續(xù)支持下，已在飛秒激光脈沖的產(chǎn)生、放大、超快光譜及強(qiáng)場(chǎng)物理等研究方面建成了一批具有國(guó)際水平的實(shí)驗(yàn)室，如中科院物理研究所、西安光機(jī)所、上海光機(jī)所、天津大學(xué)、北京大學(xué)、中山大學(xué)等，并取得了一系列重要結(jié)果。

國(guó)內(nèi)利用飛秒激光驅(qū)動(dòng)高次諧波產(chǎn)生的工作，始于上世紀(jì)90年代，在理論和實(shí)驗(yàn)上都取得了很多成果。對(duì)于單個(gè)阿秒脈沖的產(chǎn)生和測(cè)量，由于苛刻的實(shí)驗(yàn)要求，一直難以突破。中國(guó)科學(xué)院物理所多年來一直致力于超快飛秒激光的研究，建成了載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的5飛秒激光，并在此基礎(chǔ)上建成國(guó)內(nèi)首條阿秒激光束線，于2013年實(shí)現(xiàn)了單個(gè)阿秒脈沖的產(chǎn)生和測(cè)量，得到160阿秒的脈沖，該阿秒裝置為我國(guó)阿秒科學(xué)在物質(zhì)科學(xué)中的應(yīng)用提供了很好的平臺(tái)。

阿秒激光脈沖在電子動(dòng)力學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用

阿秒脈沖作為電子動(dòng)力學(xué)測(cè)量的工具，在原子、分子、表面以及固體內(nèi)部電子動(dòng)力學(xué)行為測(cè)量中具有重要應(yīng)用。這方面的研究集中在對(duì)光電效應(yīng)過程中處于不同能級(jí)或能帶的電子電離時(shí)間差的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果在一定程度上挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)物理學(xué)的認(rèn)識(shí)。

光電效應(yīng)即光致電離，是導(dǎo)致量子力學(xué)產(chǎn)生的重要物理過程之一。人們對(duì)它的理解常常局限于對(duì)能量的探究，而對(duì)其的時(shí)間屬性少有涉及，主要因?yàn)樗於鵁o法探測(cè)。量子力學(xué)認(rèn)為單電子電離過程是即刻發(fā)生的，然而嚴(yán)格來說，這一過程并非單電子過程，它無法排除原子中其他電子的影響，所以電離過程發(fā)生的時(shí)間對(duì)應(yīng)于從光子到達(dá)原子直到電子完成重新安排這一個(gè)時(shí)間段，當(dāng)重新安排完成了，這一電子就認(rèn)為被電離了，如圖6所示。

圖6. 電子發(fā)生光電離過程的不同量子路徑。

阿秒脈沖由于其非常寬的光譜以及XUV波段的光子能量，能夠同時(shí)使得原子不同能級(jí)電離，比如（圖6）電子分別從Ne的2s和2p能級(jí)電離。電子從不同能級(jí)電離，導(dǎo)致其他電子需要做出的安排不同，形成兩個(gè)不同電離通道。德國(guó)馬普量子光學(xué)研究所的科學(xué)家，利用阿秒脈沖測(cè)量了這個(gè)時(shí)間差，結(jié)果顯示2s和2p能級(jí)電子光電離所需要的時(shí)間差為20阿秒。

把這種測(cè)量方法用于固體內(nèi)部，同樣可以測(cè)量固體中不同能帶電子電離的時(shí)間差。對(duì)單晶鄔中的導(dǎo)帶和4f芯能級(jí)做同樣的測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)電離通道電離的時(shí)間差為100阿秒左右。進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，可以測(cè)量純凈的固體表面電子光電離的時(shí)間差。

阿秒激光脈沖在發(fā)展高速電子計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

現(xiàn)代電子技術(shù)的基本單元是半導(dǎo)體晶體管。半導(dǎo)體因其導(dǎo)帶和價(jià)帶之間有一定的能量間隔但又不大，只需要較小的電場(chǎng)就可以控制電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶間躍遷，從而控制材料中電子的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電路。然而同樣由于其能帶間隔較小，導(dǎo)致其響應(yīng)時(shí)間較慢。理論上目前的半導(dǎo)體晶體管可以提供的最大響應(yīng)速度為100 GHz（10^9 Hz），其頻率屬于微波波段，也稱為微波電子學(xué)。

由于熱效應(yīng)等其他原因，實(shí)際產(chǎn)品最大響應(yīng)速度僅為3-5 GHz，這就是我們今天計(jì)算機(jī)CPU的最大處理頻率。要進(jìn)一步提升計(jì)算機(jī)的速度，就需要應(yīng)用能帶間隔更大的材料，這些材料通常是絕緣體，需要更強(qiáng)的電場(chǎng)才能驅(qū)動(dòng)電子的運(yùn)動(dòng)，然而強(qiáng)的電場(chǎng)又會(huì)使絕緣體發(fā)生擊穿而損壞，這成為目前電子技術(shù)無法突破的瓶頸。

最近阿秒物理的一系列研究結(jié)果給這一瓶頸的突破帶來了希望。來自德國(guó)的科學(xué)家研究了超強(qiáng)激光與玻璃相互作用時(shí)電子的超快動(dòng)力學(xué)，利用阿秒脈沖進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)激光可以在玻璃中驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生瞬時(shí)電流，這一電流響應(yīng)時(shí)間小于1飛秒，可以完全跟光波的振蕩同步，響應(yīng)頻率可達(dá)PHz（10^15 Hz）。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，雖然光波場(chǎng)的強(qiáng)度很高，但由于驅(qū)動(dòng)激光脈寬僅幾個(gè)飛秒，在如此短的時(shí)間內(nèi)并不會(huì)造成材料擊穿，而且電流造成的影響可迅速?gòu)?fù)原。這一結(jié)果顯示利用光波驅(qū)動(dòng)絕緣體中電子的運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)PHz的電子開關(guān)，將現(xiàn)有的電路響應(yīng)速度提高10000倍，為新一代高速電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，電子學(xué)也將進(jìn)入新的階段——光波電子學(xué)。

最新研究成果顯示，光波在玻璃中驅(qū)動(dòng)瞬態(tài)電流這一過程中，通過選擇合適的光場(chǎng)強(qiáng)度，能量損失基本可以忽略。說明如果利用這一過程制作集成電路，其發(fā)熱會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于當(dāng)前電子產(chǎn)品，有利于電路的進(jìn)一步集成和響應(yīng)頻率的進(jìn)一步提高。當(dāng)然阿秒物理的這些研究成果只是為下一代高速電路的發(fā)展帶來了曙光，要實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想還有大量研究工作要做。

阿秒激光在很多研究領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用，比如探測(cè)生物大分子中電荷的轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)有助于揭開很多生命現(xiàn)象的機(jī)理，解決相關(guān)的醫(yī)學(xué)問題；測(cè)量化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵的形成過程有助于研究新物質(zhì)的合成?？傊?，阿秒物理作為一門年輕的學(xué)科其研究才剛剛開始。

審核編輯：劉清