2023 年 10 月 3 日北京時間 17 時 45 分許，2023 年諾貝爾物理學獎授予法國科學家皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），匈牙利裔奧地利科學家費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和法國/瑞典科學家安妮·呂利耶（Anne L'Huillier），以表彰他們“為研究物質中的電子動力學而產生阿秒光脈沖的實驗方法”。
皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），1968 年獲得法國艾克斯-馬賽大學博士學位，現任美國俄亥俄州立大學教授。
費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz），1962 年出生于匈牙利莫爾。1991 年獲得奧地利維也納科技大學博士學位，現任德國加興馬克斯普朗克量子光學研究所所長，德國慕尼黑路德維希馬克西米利安大學教授。
安妮·呂利耶（Anne L'Huillier），1958 年出生于法國巴黎。1986 年獲得法國巴黎皮埃爾和瑪麗居里大學博士學位，現任瑞典隆德大學教授。
光脈沖中的電子
今年的獲獎者在實驗中創造了足夠短的閃光，可以拍攝極快的電子運動的快照。安妮·呂利耶（Anne L'Huillier） 發現了激光與氣體中原子相互作用的新效應。皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）證明，這種效應可以用來產生比以前更短的光脈沖。
一只小小的蜂鳥每秒可以拍打翅膀80次，然而在我們看來，只能感覺到嗡嗡的聲音和模糊的翅膀動作。對于人類的感官來說，快速的運動會變得模糊，而那些極短的事件則無法觀測到——我們需要依靠特別的技術來捕捉或描繪這些非常短暫的瞬間。借助高速攝影和閃光燈，我們得以捕捉到那些轉瞬即逝的現象的具體形貌。如果想要拍攝到飛行中蜂鳥的高清照片，那么就需要曝光時間比蜂鳥的單次振翅還要短得多。如果要捕捉到越快的事件，需要的拍攝速度也越快。
同樣的原理適用于所有用于測量或描述快速運動過程的方法：任何測量都必須比目標系統發生明顯變化的時間更快，否則就只能得到模糊的結果。今年的諾貝爾物理學獎獲獎者在實驗中展示了一種產生光脈沖的方法，這種脈沖足夠短，足以捕獲原子和分子內部過程的圖像。
原子的自然時間尺度非常短。在分子中，原子可以在千萬億分之一秒（飛秒）內移動和旋轉，這些運動可以用激光產生的極短脈沖來研究。但當整個原子運動時，時間尺度是由它們大而重的原子核決定的，與輕而靈活的電子相比，原子核的速度極其緩慢。當電子在原子或分子內部移動時，它們的移動速度非常快，以至于在飛秒尺度下都無法清晰描述了。在電子世界中，位置和能量以一到幾百阿秒的速度變化，而阿秒是10-18秒。
一阿秒非常短，一秒鐘內的阿秒數與138億年前宇宙誕生以來所經過的秒數相同。舉一個離我們生活更近的例子，我們可以想象一束光從房間的一端發射到對面的墻壁——這需要100億阿秒。
一直以來，飛秒被認為是可以產生的閃光的極限。只是改進現有技術還不足以看到電子在極其短暫的時間尺度上運動的過程——科學家需要一些全新的東西。而今年的獲獎者開辟了阿秒物理學的全新領域。
電子在原子和分子中的運動非常快，測量尺度是阿秒量級。一秒鐘的一阿秒，就像宇宙年齡中的一秒一樣短。
高次諧波下更短的脈沖
光由波（電場和磁場中的波動）組成，它們在真空中的傳播速度比其他任何東西都快。不同波長的光表現為不同顏色的色光。例如，紅光的波長約為700納米，約為頭發絲寬度的百分之一，每秒振動約430萬億次。我們可以將最短的光脈沖視為光波中單個周期的長度，也就是光波上升到波峰、下降到波谷、再回到起點的一個周期。在這種情況下，普通激光系統中使用的激光波長永遠無法低于飛秒量級，因此在 20 世紀 80 年代，這被視為對最短光脈沖的硬性限制。
根據波的數學原理，如果使用足夠多的具有合適波長、頻率和振幅（波峰和波谷之間的距離）的波，我們可以構建任意波形。而阿秒脈沖的訣竅在于，通過組合更多和更短的波來生成更短的脈沖。
電子的運動極快，因此如果想在原子尺度上觀察電子運動，就需要足夠短的光脈沖，這意味著需要組合許多不同波長的短波。
要想產生有史以來最短波長的光，我們需要的不僅僅是激光器，最關鍵的是理解激光穿過氣體時出現的一種現象。當激光與氣體中的原子相互作用時，會產生一種諧波——原始波中每個周期完成多個完整周期的波。我們可以將諧波與賦予聲音特定特征的泛音進行比較，泛音使我們能夠聽出吉他和鋼琴上演奏的相同音符之間的差異。
1987 年，法國一家實驗室的安妮·呂利耶和她的同事利用穿過惰性氣體的紅外激光束演示了諧波的產生。與之前實驗中使用的波長較短的激光相比，紅外光產生的諧波更多且更強。在這個實驗中，他們觀察到許多光強大致相同的諧波。
泛音對于基音中的每個周期都有多個周期。諧波在光波中的工作方式與泛音類似。
在 20 世紀 90 年代，呂利耶在隆德大學發表了一系列文章，繼續探索這種效應。她的研究結果有助于從理論上理解這一現象，為下一次實驗突破奠定了基礎。
逃逸電子產生諧波
當激光進入氣體并影響其原子時，它會引起電磁振蕩，扭曲原子核周圍電子的電場，可令電子從原子中逃逸出來。然而，激光的電場是持續振蕩的，當它改變方向時，松散的電子可能會沖回原子核。在電子的運動過程中，它從激光的電場中獲得了大量額外的能量。為了重新回到靠近原子核的基態，電子必須以光脈沖的形式釋放多余的能量。這些來自電子的光脈沖產生了實驗中出現的諧波。
激光與氣體中的原子相互作用
實驗發現了激光產生諧波的機制。它是如何工作的？
1、與原子核結合的電子通常不能從原子中逃逸，它沒有足夠的能量將自己從原子電場形成的勢阱中拉升出來。
2、原子受到激光脈沖的影響，其電場會發生扭曲。當電子僅被狹窄的勢壘所束縛時，量子力學允許其隧穿并逃逸。
3、自由電子仍然受到激光電場的影響并獲得一些額外的能量。當電場轉動并改變方向時，電子會被拉回。
4、為了重新附著在原子核上，電子必須擺脫其在逃逸途中獲得的額外能量。這種能量以紫外線的形式發射，其波長與激光場的波長相關，并且根據電子移動的距離而有所不同。
光的能量與其波長相關。實驗發射出的諧波中的能量與紫外線相當，其波長比可見光的波長短。由于能量來自激光的振蕩，因此諧波的振蕩將與原始激光脈沖的波長形成了優雅的比例。光與許多不同原子相互作用的結果是形成一組特定波長的不同光波。
一旦這些諧波出現，它們就會相互作用。當光波的峰值疊加時，產生的光就會變得更強，但當一個光波的波峰與另一個的波谷疊加時，產生的光就不那么強。在適當的情況下，諧波重合，從而出現一系列紫外光脈沖，其中每個脈沖的周期為幾百阿秒。物理學家在 20 世紀 90 年代就理解了其背后的理論，但真正的突破發生在 2001 年，那時，科學家才真正識別并測試了這種脈沖。
用最短的光脈沖探索電子世界：當激光穿過氣體時，氣體中的原子會產生紫外光諧波。在適當的條件下，這些諧波可能是同步的。當它們的周期重合時，就會形成集中的阿秒脈沖。實驗設置示例：激光被分成兩束，其中一束用于產生一系列阿秒脈沖。然后將該脈沖序列添加到原始激光脈沖中，并將該組合用于執行極其快速的實驗。
皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和他在法國的研究小組成功地制造出了一系列連續的、像是多個車廂串聯的火車一樣的光脈沖，并對其進行了研究。他們使用了一種特殊的技巧，將這個“脈沖列車”與原始激光脈沖的延遲部分放在一起，以查看諧波如何彼此同步。他們還測量了“脈沖列車”中脈沖的持續時間，發現每個脈沖僅持續 250 阿秒。
與此同時，費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和他在奧地利的研究小組正在研究一種可以挑選單個脈沖的技術——就像將火車上的一個車廂脫開并將其切換到另一條軌道一樣。他們成功分離出了持續 650 阿秒的脈沖，該小組用它來跟蹤和研究電子脫離原子束縛的過程。
這些實驗證明阿秒脈沖可以被觀察和測量，并且它們也可以用于新的實驗。
現在阿秒世界已經觸手可得，這些短脈沖光可以用來研究電子的運動。現在可以產生低至幾十阿秒的脈沖，并且這項技術一直在發展。
電子的運動變得容易理解
阿秒脈沖可以測量電子被拉離原子所需的時間，并檢驗電子與原子核結合的緊密程度如何決定該時間的長短。我們可以在原子和材料中重建電子分布，讓電子從一側振蕩到另一側，或從一個位置振蕩到另一個位置；在此之前，電子的位置只能用平均值來衡量。
阿秒脈沖可用于測試物質的內部過程，并識別不同的事件。這些脈沖已被用來探索原子和分子物理學的細節，并在電子、醫學等領域具有應用潛力。
例如，阿秒脈沖可用于推動分子，從而發出一個可測量的信號。來自分子的信號具有特殊的結構，這是一種可以揭示其“身份”的指紋，在醫學診斷等領域都可能具有潛在應用。
