众望所归!2023年诺贝尔物理学奖授予“为电子按下快门”的三位科学家

2023-10-04 08:10:20 hao333 9204

北京时间周二傍晚,瑞典皇家科学院召开发布会,宣布将2023年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(Pierre Agostini)、马克斯普朗克量子光学研究所和慕尼黑大学的费伦茨克劳修斯(Ferenc Krausz)和瑞典隆德大学的安妮吕伊利埃(Anne LHuillier)三名科学家,以表彰他们在阿秒脉冲光方面所做出的贡献。

众望所归!2023年诺贝尔物理学奖授予“为电子按下快门”的三位科学家

(来源:瑞典皇家科学院)

在颁奖之前,业界也普遍预期阿秒物理学是今年的大热门。作为诺奖风向标,去年的沃尔夫物理奖也颁给了费伦茨克劳修斯、安妮吕伊利埃,以及渥太华大学的Paul Corkum教授,以表彰他们对超快激光科学和阿秒物理学的开创性贡献。

值得一提的是,吕伊利埃是诺贝尔物理学奖历史上第五位得奖的女性科学家,在周二组委会给她打电话通知获奖时,正在学校里讲课的她还多次按掉组委会的来电。

与我们熟悉的秒一样,阿秒(attosecond)也是一种时间单位,计量上为10-18秒(0.000000000000000001秒),足以见得跨度之短暂。诺贝尔奖官方表示,这三名科学家展示了一种创造极短光脉冲的方法,这些光脉冲可以用来测量电子移动或能量变化的快速过程。电子的移动速度非常快,一度被认为是无法追踪的运动,而阿秒物理学则打破了这种不可能。

众望所归!2023年诺贝尔物理学奖授予“为电子按下快门”的三位科学家
(来源:中科院物理所、中国光学微信公众号)

这一切的开端要从1987年开始说起,安妮吕伊利埃当时发现,在红外激光通过稀有气体时,会产生许多不同的光的泛音。它们是由激光与气体中的原子相互作用引起,这种作用给予一些电子额外的能量,然后以光的形式发射出来。随后吕伊利埃继续探索这一现象,为后续的突破奠定了基础。

在2001年,皮埃尔阿戈斯蒂尼成功地产生并研究了一系列连续的光脉冲,每个脉冲只持续250阿秒。与此同时,费伦茨克劳修斯在另一种类型的实验中,成功分离出可持续650阿秒的单个光脉冲,使得光脉冲宽度达到阿秒量级。这些科学家的努力,也使得人类能够在极短的时间尺度上研究各种物理、化学和生物过程,并且在医学、工业制造等领域展现出了潜在价值。

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(实验设置概述,来源:诺贝尔奖组委会)

诺贝尔物理学奖评选委员会主席伊娃奥尔森评价称:现在我们可以打开通往电子世界的大门。阿秒物理学给了我们理解电子所支配机制的机会,下一步将是利用它们。

为电子运动拍照的阿秒物理学

在解释超短光脉冲的作用时,科学家们最喜欢举的例子是相机快门,不同尺度的脉冲正是按下快门的速度。上世纪80年代,人类将脉冲激光的宽度推进至飞秒领域,得以解锁对分子和原子运动的观察,而阿秒激光则能让人类观察分子和原子中电子的运动。

美国物理协会主席、芝加哥大学教授Bob Rosner解读称,就像建房子一样,我们能够观察到地基、墙壁和房顶逐步搭起,而分子的组装也有这样的顺序,阿秒激光使我们能够观察分子组装的过程。

在实际的应用领域,阿秒激光也在众多领域具有突出的应用价值,例如在医学成像中可以展现出更高的分辨率,而股民们非常熟悉的飞秒(视力矫正)手术也有希望进一步提高切割的精度,另外在光学材料、半导体等领域也大有可为。由于阿秒物理学研究的是电子运动,所以可以说世间万物都能在这项技术的助力下走上更高的台阶。

众望所归!2023年诺贝尔物理学奖授予“为电子按下快门”的三位科学家
(阿秒激光在部分领域的应用展望)

物理学奖也是今年诺贝尔奖第二个出炉的奖项,明天同一时段将会颁发今年的诺贝尔化学奖。