2023年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰了阿秒脈沖產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)研究工作，這是超快光學(xué)領(lǐng)域在20世紀(jì)末到21世紀(jì)初期的突破性進(jìn)展。那么阿秒光源能應(yīng)用到哪些領(lǐng)域呢？

阿秒光子學(xué)可以在超短時(shí)間尺度和納米分辨率上深入了解材料動(dòng)力學(xué)。由于阿秒是原子、分子和固體內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)的自然時(shí)間尺度，阿秒光子學(xué)的應(yīng)用范圍包括物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)研究，甚至可能包括制造業(yè)——阿秒脈沖光子源可以引入全新的研究領(lǐng)域，但必須先開發(fā)出更明亮、更緊湊、更具成本效益的光子源。

雖然生成這一領(lǐng)域的光并不容易，且難以維持，但最終掌握這一技術(shù)將使相當(dāng)多的市場受益，包括太赫茲級(jí)電子產(chǎn)品、用于顯微鏡或納米鏡的超快計(jì)量，以及控制量子過程的能力。

自 20 世紀(jì) 60 年代首次發(fā)明激光器以來，脈沖持續(xù)時(shí)間已經(jīng)從微秒縮短至飛秒（1fs=10-15秒）。在2001年，超快光子學(xué)達(dá)到了一個(gè)重要的里程碑。激光物理學(xué)家首次突破了飛秒障礙，創(chuàng)造了阿秒脈沖（1as=10-18秒）——這是實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的持續(xù)時(shí)間最短的光脈沖。

在過去的二十年里，阿秒科學(xué)仍主要停留在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，但目前隨著技術(shù)進(jìn)步升級(jí)，高重復(fù)率的工業(yè)級(jí)超快和超高強(qiáng)度激光源正在開發(fā)。這些進(jìn)步將最終推動(dòng)阿秒科學(xué)走向?qū)嵱茫M(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域。

助力電子動(dòng)力學(xué)發(fā)展

電子動(dòng)力學(xué)引發(fā)了大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)，包括植物或太陽能電池對(duì)光的吸收。現(xiàn)代電子產(chǎn)品的開關(guān)也是由電子動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的。

一種新型金屬透鏡聚焦由高次諧波輻射產(chǎn)生的極紫外(EUV)阿秒脈沖的圖示。研究人員認(rèn)為，這種金屬透鏡將把阿秒光譜技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)轱@微學(xué)技術(shù)。

雖然監(jiān)視電子動(dòng)態(tài)有用極多，但很少有技術(shù)能提供所需的阿秒級(jí)時(shí)間分辨率。

奧地利格拉茨技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理研究所研究員Marcus Ossiander說：“了解高效的光收集、構(gòu)建更快的電子器件和實(shí)現(xiàn)室溫量子通信，所有這些我們都需要通過阿秒脈沖來實(shí)現(xiàn)。”

傳統(tǒng)電子技術(shù)由于處理器內(nèi)部的熱量累積而面臨一些局限性。因?yàn)檫壿?a target="_blank">晶體管的開關(guān)只能單向進(jìn)行，所以開啟開關(guān)需要通過耗散能量回到非導(dǎo)電狀態(tài)才能進(jìn)一步處理信息。

格拉茨技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授Martin Schultze說：“使用具有單飛秒或阿秒光學(xué)門信號(hào)的超快電子器件可以完全擺脫電子狀態(tài)切換時(shí)的限制。只要激發(fā)保持相干，有意識(shí)地雙向轉(zhuǎn)換就變得可行。”

Martin Schultze和他的同事們展示了幾種比現(xiàn)有電子學(xué)快約六個(gè)數(shù)量級(jí)的固態(tài)電子協(xié)議。他們還在探索無耗散運(yùn)行的途徑。

目前的實(shí)驗(yàn)在穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)采集時(shí)間方面仍存在問題。如果能開發(fā)出一種交鑰匙光源，以高重復(fù)率提供具有微焦耳能量的單周期光波形，就能解決這個(gè)問題。

當(dāng)前的激光系統(tǒng)工作重復(fù)頻率在10赫茲至幾千赫茲之間。但是，為了縮短成像時(shí)間并使其適用于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用，重復(fù)頻率必須大幅提高，達(dá)到數(shù)百千赫茲甚至更高。

這些光源產(chǎn)生于極紫外線（EUV）。但是，如果將它們?cè)O(shè)計(jì)在接近可見光范圍的中心波長上，就能更容易地用現(xiàn)有的光學(xué)設(shè)備進(jìn)行處理。

“這將使我們能夠把阿秒光譜學(xué)和傳感技術(shù)從量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到操作簡便和日常可用的應(yīng)用和工業(yè)研究環(huán)境中。”Martin Schultze說。

X射線自由電子激光器（XFELs）的起爆器部件中的超快相干X射線光的三維效果圖，該激光器由激光喚醒場產(chǎn)生的電子束作為種子。

阿秒脈沖原材料從氣體到固體

阿秒脈沖通常是通過高次諧波產(chǎn)生裝置來生成的，高次諧波產(chǎn)生裝置利用強(qiáng)烈的紅外激光脈沖與材料相互作用而產(chǎn)生強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)。這個(gè)過程將激光脈沖的一小部分能量轉(zhuǎn)化為高次諧波。

最初用于產(chǎn)生阿秒脈沖的材料主要是氣體。這包括一個(gè)噴嘴噴出的約0.1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）的稀有氣體流，長度約為1毫米。或者可以使用充滿氣體的容器，其中的原子數(shù)小于0.01 atm/cm3。

如今，高次諧波的產(chǎn)生得益于2018年諾貝爾獎(jiǎng)得主Donna Strickland和Gerard Mourou的研究成果。在他們的獲獎(jiǎng)研究中，他們使用啁啾脈沖放大技術(shù)拉伸、放大然后壓縮來自摻鈦藍(lán)寶石（Ti:sapphire）激光器的超短弱光脈沖，從而產(chǎn)生高光學(xué)強(qiáng)度。

如今，由于光纖激光器技術(shù)具有更好的可維護(hù)性和更低的成本，人們開始大力淘汰摻鈦寶石激光器。然而，這兩種類型的激光器在功能上是相似的。在光纖激光器中，光纖振蕩器首先產(chǎn)生弱光脈沖，然后通過光纖啁啾脈沖放大器進(jìn)行放大。

Marcus Ossiander說：“當(dāng)光脈沖的電場強(qiáng)度足以將束縛電子從原子中分離出來時(shí)（即，氣體>1014 W/cm2，或固體>1013 W/cm2）時(shí)，就可以通過高次諧波生成獲得阿秒脈沖序列，這些阿秒脈沖序列是時(shí)間間隔相等的極短光脈沖序列。”

在這個(gè)過程中，激光使材料離子化，并加速未束縛的電子。當(dāng)每個(gè)電子最終與其母離子發(fā)生再碰撞和再結(jié)合時(shí)，會(huì)以單個(gè)高能光子的形式釋放動(dòng)能。

這一過程會(huì)產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為阿秒級(jí)的光脈沖，因?yàn)殡娮拥尼尫胖荒馨l(fā)生在光脈沖振蕩電場的最大值處。

這也解釋了為什么該方法通常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖序列。

“光脈沖中通常有許多電場最大值，每個(gè)電場最大值都能產(chǎn)生一個(gè)阿秒脈沖，”MarcusOssiander說，“如果想獲得單個(gè)阿秒脈沖，就必須使用非常短的光脈沖來驅(qū)動(dòng)這一過程，或者使用具有復(fù)雜偏振或顏色的光脈沖。”

但是，自從發(fā)現(xiàn)高次諧波生成方法在固體中同樣適用之后，研究人員越來越多地不再使用簡單的惰性氣體，改而使用液晶、半導(dǎo)體和其他透明固體等更復(fù)雜的樣品來產(chǎn)生阿秒脈沖。

就固體而言，固體內(nèi)部的帶間躍遷取代了氣體中的束間躍遷。電子在重新碰撞前會(huì)在固體晶格中移動(dòng)，而不是在氣體原子周圍的自由空間中移動(dòng)。

這種向更復(fù)雜樣品的轉(zhuǎn)變，有助于為下一代集成阿秒光源鋪平道路，因?yàn)檫@種光源耗電更少，而且不需要持續(xù)供應(yīng)生成介質(zhì)。

此外，這也是朝著更緊湊、運(yùn)行成本更低的光源邁出的一步。

了解電子電路內(nèi)部運(yùn)作情況

掌握阿秒時(shí)間機(jī)制還為分子成像開辟了新的可能性。通過控制可見光或紅外驅(qū)動(dòng)激光束或使用金屬透鏡來將軟x射線聚焦到衍射極限。

“通過相干衍射成像，x射線將允許通過相干成像降低到波長極限，”加拿大安大略省渥太華大學(xué)教授Paul Corkum說，“因此，我們可以將2D成像與場感測相結(jié)合。”

由于芯片上施加的電壓會(huì)干擾諧波的產(chǎn)生，因此施加電壓實(shí)際上會(huì)變得“可見”。

如今，Paul Corkum的工作主要集中在金屬樣品上，希望通過利用已經(jīng)從原子中釋放出來的自由電子來提高效率。他還在探索利用阿秒源的高次諧波作為種子激發(fā)X射線激光躍遷。

“我們的目標(biāo)是將阿秒技術(shù)對(duì)軟X射線的精確控制與增益介質(zhì)相結(jié)合，以提供額外的能量，”Paul Corkum說，當(dāng)前X射線光子能量的極限大約是第4000次諧波附近的1.3 keV。

“我相信錄制功能電路的影片將成為可能，”Paul Corkum說，“超快電子技術(shù)集合了小型化與快速化，阿秒技術(shù)也是如此。”

為了錄制電子電路內(nèi)部運(yùn)作情況的影片，必須在阿秒工具箱中增加空間分辨率。

由于在這一頻率范圍內(nèi)不存在透明材料，人們正在開發(fā)新的光學(xué)概念，如金屬透鏡，以幫助實(shí)現(xiàn)這種成像能力。

哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的Federico Capasso研究小組展示了一種金屬透鏡，該透鏡有可能在超紫外區(qū)實(shí)現(xiàn)高分辨率顯微鏡成像。這或許是該譜區(qū)的首個(gè)透射透鏡。

“在這項(xiàng)工作完成之前，只能使用笨重而復(fù)雜的光學(xué)器件，如反射鏡和菲涅爾區(qū)板，來實(shí)現(xiàn)超紫外聚焦。”FedericoCapasso說。“金屬透鏡又平又薄，與傳統(tǒng)的折射光學(xué)器件相比，可以更容易地校正光學(xué)像差。”

阿秒電離輻射用于研究生物分子

利用高階諧波產(chǎn)生的阿秒脈沖可以通過紅外源的上變頻獲得更高的光子能量。這種方法產(chǎn)生的大多數(shù)阿秒脈沖都在超紫外或軟 X 射線范圍內(nèi)。

這種電離輻射可用于研究生物分子，如DNA構(gòu)建模塊腺嘌呤，以及研究它們對(duì)刺激的反應(yīng)。

這正是德國電子同步加速器（DESY）阿秒科學(xué)部門的負(fù)責(zé)人Francesca Calegari正在探索的，他試圖通過極端的時(shí)間尺度來控制分子的解離。極短的光脈沖直接作用于電子的位置或分子內(nèi)電子的分布，從而影響鍵的形成和斷裂。

“我堅(jiān)信，阿秒技術(shù)通過在電子時(shí)間尺度上發(fā)揮作用，為控制化學(xué)反應(yīng)開辟了新的令人興奮的可能性，”Francesca Calegari說，“化學(xué)家們往往忽略電子動(dòng)態(tài)的作用，但是通過適當(dāng)排列超短光脈沖，我們現(xiàn)在能夠在原子核開始移動(dòng)之前，利用電子密度分布來控制電離誘導(dǎo)的分子解離。”

影響分子中電子密度分布直接關(guān)系到分子的反應(yīng)性。利用這種反應(yīng)性可以改善生物功能，例如光吸收。

例如，F(xiàn)rancesca Calegari的團(tuán)隊(duì)目前正在研究如何利用超短激光脈沖誘導(dǎo)的電子動(dòng)態(tài)來控制手性分子的反應(yīng)。手性識(shí)別在包括藥物工程、對(duì)映選擇催化和生物物理的許多領(lǐng)域都至關(guān)重要。

手性分子以兩種對(duì)映異構(gòu)形式存在。換句話說，這兩種形式共享相同的化學(xué)式，但它們是彼此的鏡像，且具有極其不同的化學(xué)特性。在手性分子中啟動(dòng)相干電子動(dòng)態(tài)提供了一種控制分子手性反應(yīng)的方法，從而在不改變手性異構(gòu)的情況下控制分子的化學(xué)反應(yīng)性。這將為實(shí)現(xiàn)電荷定向反應(yīng)性開辟一條新途徑。

EUV與X射線激光器更緊湊

雖然總部位于德克薩斯州的TAU系統(tǒng)公司并未明確表示要生產(chǎn)阿秒脈沖源，但該公司的目標(biāo)是開發(fā)緊湊型、高強(qiáng)度X射線自由電子激光器（XFELs），這可能為產(chǎn)生商業(yè)上可應(yīng)用的阿秒脈沖提供潛在途徑。

“XFELs是當(dāng)今亮度最高的X射線源，還允許我們調(diào)整X射線的波長/光子能量，”德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校物理學(xué)教授兼TAU系統(tǒng)公司創(chuàng)始人Bj?rn Manuel Hegelich說，“目前的系統(tǒng)需要千米級(jí)的加速器，因此既龐大又昂貴。緊湊型激光驅(qū)動(dòng)源有可能改變這種狀況。”

TAU系統(tǒng)公司 X 射線自由電子激光器（XFELs）與用戶終端站的三維概念效果圖。圖片顯示了在不久的將來，XFELs機(jī)器的緊湊程度。 除了為科學(xué)、工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用提供更廣泛的高強(qiáng)度、相干EUV和X射線源之外，更緊湊的XFELs還可以為阿秒領(lǐng)域產(chǎn)生更具成本效益和實(shí)用性的脈沖源。

“我們可以在工業(yè)級(jí)機(jī)器中首次生成EUV和X射線脈沖，這些機(jī)器很容易在研究實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)療機(jī)構(gòu)或生產(chǎn)車間中使用，”TAU系統(tǒng)公司業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁Catalin Neacsu說，“有了硬X射線，就可以深入觀察金屬物體的內(nèi)部，例如反應(yīng)堆容器或發(fā)電廠的深層焊縫，以及運(yùn)行中的金屬冶煉操作的壽命檢測、醫(yī)療植入物或飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件等增材制造零件的無損質(zhì)量檢驗(yàn)。”

審核編輯：劉清