阿托秒

长期以来，“阿托秒”（attosecond，as）一直作为一个理论上的时间量程而存在，阿托秒是一种新发现的“时间切片”，它很微小但却有巨大的应用潜能。原子核内部作用过程的持续时间可用阿托秒（10的负18次方秒）表示。
“阿托秒”又称阿秒， 渺秒。
中文名阿托秒
外文名Attosecond
别    名阿秒， 渺秒
时间长度相当于10的负18次秒
符    号as
所属学科物理学
目录
1术语简介
2术语起源
3历史沿革
4飞秒光脉冲
5实用领域
6时间间距
7参见
术语简介

阿托秒（英语：attosecond，as），是一种时间的国际单位，为 10-18秒，或 1/1000飞秒。比例上，一阿秒之于一秒，如同一秒之于 317.1 亿年，约为宇宙年龄的两倍。 [1]在10-18秒的时间尺度上控制并测量自然现象的科学，即阿秒科学。 [2]
术语起源

时间单位正变得越来越小。其实，它现在已经变得很小了：4年前，物理学家们想方设法制造出了激光脉冲，虽然它只持续了飞秒（1飞秒相当于10ˉ15秒）。在日常摄影中，照相机的闪光灯能在1/1000秒内“定格时间”——这个速度快到可以捕捉到棒球击球手迅速挥臂击球的动作，当然一个超速运转的快球除外。同样，飞秒“闪光灯”还能够使用科学家们在微观物质世界里观察到一些以前从未见过的现象：振荡的分子、化学反应中原子形成的化学键以及其他超小、超快的事物。
超快的事物是不易把握住的。各种超快的事情都可能在一两飞秒之内发生，如果你的闪光灯太慢，你就会漏掉这些转瞬即逝的镜头。因此科学家们正努力钻研，争分夺秒地研制更细微更精确的“时间窗”，用它来观察物质世界。由一些知名的物理学家们组成的国际攻关小组终于成功地突破了所谓的“飞秒障碍”。他们用一种复杂的高能激光发生器，制造出了能够持续多于0.5飞秒——精确地说是650阿托秒的光脉冲。长期以来，“阿托秒”一直作为一个理论上的时间量程而存在，而这次每个人都切实地感受到了它。发现者来自渥太华的Steacie的一名物理学家，也是这项研究的主要调查员之一——保罗*考库对此评价道：“它是物质真正的时间量程。我们正学会利用原子和分子本身的特点，来观察由它们组成的微观世界。”
虽然这一科研成果很少有人欣赏，但实际上，我们人类的生理功能却同时存在于——并且取决于——几个不同的时间量程。例如，普通人的心脏每秒跳动一次：闪电的速度是1/100秒；一台家用电脑能1纳秒内运行一个简单的软件指令；电路在1皮秒内开关若干次。时间单位正变得越来越小，人们越来越难于赶上它们的步伐。
历史沿革

20世纪60年代，激光的发明为科学家们跟上时间的节拍提供了一个推进力。最常见的激光是通过激发诸如氖气等惰性气体中的原子而产生的（其他种类的激光是以激发固体，如红宝石，甚至是有机染料等物质而产生的）。当原子被激发而“放松”后，它们中的电子又重新依序排列，这些被激发的气体产生出一种具有特定波长的光——可见光、微波、红光或蓝光——这全部要取决于相关的原子。一束激光可以迫使光波在介质中以同样的频率旅行，而且把它发出的光和热集中到一束强光内。
飞秒光脉冲

制造激光脉冲比较棘手。首先，物理学家们使用极小的镜子，以让光束在激光束内来回穿过自身。光波在那里相互干涉，波峰与波谷被调谐行趋于一致。然后，他们用那精致的超快的光栅除去杂波，只留下单一波长的光束通过。瞧，光脉就这样被制造出来了。
20世纪80年代末期，激光脉冲已经达到6飞秒的短暂记录。如今，科学家们在观察某个化学反应时，已不必再拿这个反应发生前和发生后的照片进行参照了——现在他们可以应用新的“激光脉冲摄影”技术，以观看慢动作电影的方式来观察这些化学反应的中间过程了。从那时起，生物学科学家们渐渐把研究重心集中到光合作用和其他分子反应的结构上，一门新的科学——“飞秒化学”就这样应运而生了。1999年，加州理工学院的艾哈迈德·泽维尔，通过一系列巧秒的实验揭示了化学键是如何断裂又是如何在100~200飞秒的时间内重新排列的，他也因此获得了那一年度的诺贝尔化学奖。
实用领域

飞秒脉冲已不仅仅被看做是一架照相机的快门或闪光灯，它已经发展成一种强大的的实用工具。它还是个钻洞高手，能钻出极小的孔洞：它的能量积聚得很快，让其周围的物质根本就没有时间来被加热，因此发生混乱或无效的情况较少。而且，飞秒脉冲只有约1/1000毫米长（与它相比，一秒钟光脉冲的长度相当于从地球到月亮的距离）。让我们把飞秒脉冲想象成是极小的炸弹。它们能聚焦并穿过透明材料的表面来点燃物质。我们还可以用飞秒脉冲来记录玻璃中的光学波导，这是一项进步，它能引起数据存储和无线通讯的革命。研究者们利用飞秒脉冲研究出一种新方法，可以直接在眼角膜上进行激光眼外科手术，而不会损坏眼角膜上而的组织。
对此，保罗.考库评价说：“（这种新方法）就如同你把手放进微小的生物组织中来做手术一样方便，而且这种手术耗费的能量很少。”
简而言之，对于操纵整个原子和分子不讲，飞秒可以说是游刃有余。但对那些比原子核小得多、轻得多、速度也快得多的电子感兴趣的物理学家们来说，这种时间量程还是太慢了。于是，我们就进入到了“阿托秒”的研究领域。理论家们一直怀疑，飞秒大小的可见光脉冲组成的，就像一个音符包含着许多谐音。但问题是我们如何来测量它们——它们所发出的电磁和声波非常微弱，另外它们发出的紫外线和X射线的波长太短以至于我们难以觉察。
利用一个经过修正的干涉计（一种用于激光的特殊滤光器），克罗兹和他的同事开始搜寻阿托秒。他们首先向一股氖原子流中发射了超短波长（7飞秒）的红色激光脉冲，来剥离的电子就被激光脉冲携带，并几乎立即被重新射入到氖原子核内。这种效果有些类似于用箭射一只铃铛。用电子轰击氖原子核的结果，正如预期的那样，产生了X光和远紫外线的高频谐波。接着，物理学家们过滤了这些谐波光，只允许他们精选的X光脉冲——包括一个只有650阿托秒长的X光脉冲——通过。
在物理学家捕捉到阿托秒冲的同时，他们也论证了其效用。他们把阿托秒脉冲和波长较长的红光脉冲同时瞄准一种氪原子，踢开了电子；而红光脉冲则撞上了电子，只是试探了一下它们的能量。从这两个脉冲时间上的差别判断，科学家们获得了一个非常精确的测量数据，知道了电子要花多久（多少阿托秒）才会衰退。此前科学家们还从不没有利用这样短的一种时间量程来从事电子动力的研究。
这个实验在物理学界引起了很大的反响。美国Brookhaven国家实验室的一位物理学家易斯.迪罗对此赞赏道：“阿托秒为我们重新认识电子带来一种新方法。它正成为一种新的物质探测器，不久就会在科学界得到广泛应用。“阿托物理学”的纪元来到了。”
物理学家们希望能够做到的不仅仅是了解电子得失能量的情况。克罗兹说：“我们不仅要用阿托秒脉冲来追踪这些微观粒子运动的过程，还要用它来控制原子被激发后的缓释作用。这真令人兴奋不已。”举例来说，通过控制原子，在阿托秒这种时间量程上释放出X射线，来建立一个有效的X射线激光器，这是物理学家长久以来的梦想。从事半导体事业的人们渴望加速计算机芯片、晶体管和其他电子在我们看来简直就是些慢吞吞的家伙。克罗兹说：“当你进入更微观的物质结构中，比如在原子核中，你就会发现一些粒子的运动速度会更快。那时我们在核子物理学中所选用的将是几种更微小更精确的时间量程，届时我们将进入zepto秒的王国。”
时间间距

1阿秒：光飞越3粒氢阿子的时间。
24阿秒：时间的原子单位。
200阿秒：铍-8的半衰期。

一篇你不能错过的科普|关于阿秒
原创 阿秒研究中心 中国科学院西安光机所 2023-10-21 11:56 陕西
图片

图片

先秦时期老庄之学的重要思想“至大无外，至小无内”——阐明了古人对世界的认知，认为宇宙无限大而微小粒子无限小。科技发展至今，人类对这两个维度的探索从未停止脚步，并想掌握世界万物的运动规律。

什

么

是

阿

秒

图片

如今，对于微观世界，空间分辨率已经可以达到原子分子尺度，其对应的运动特征时间也达到了超快的飞秒（femtosecond，10-15秒）量级，目前比较成熟的飞秒脉冲激光已经能够探测分子间运动，使其不再神秘。

但分子内部的电子运动，其动力学过程发生在更快的阿秒（attosecond，10-18秒）量级。

电子早在19世纪便由剑桥大学的约瑟夫·约翰·汤姆森在实验中发现，距今百余年，由于运动速度过快，其运动过程仍无法直接探测，长期以来只能以电子云的概念来描述它在原子核外空间某处出现的几率大小。电子云模型能够很好地解释化学键的形成与断裂、原子吸收与发射光子的光谱以及原子的性质等现象，并且符合量子力学原理，但在解释很多微观粒子运动规律时出现了障碍，需要发展更为准确的模型。

今年，诺贝尔物理学奖颁发给“阿秒激光”，其原由为促进了物质中电子动力学的研究，阿秒激光的研制成功，首次将探索世界的时间尺度推进到阿秒量级，人类第一次可能拥有直接测量电子动力学行为的工具。

阿秒是什么概念？

阿秒仅仅为10-18秒，如果说光从地球跑到月球的时间大约需要1秒，而在1阿秒时间内，光只能传输0.3纳米，约为头发丝直径的二十万分之一。

今年获奖的三位科学家，美国科学家皮埃尔•阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），匈牙利科学家费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和法国科学家安妮•吕利耶（Anne L’Huillier）在实验上为阿秒激光的产生做出了巨大贡献。

女科学家安妮•吕利耶在博士期间就一直在研究多光子电离效应，并在1988年，30岁之前就发表了获得诺贝尔奖的关键论文，发现了强激光照射惰性气体产生高次谐波的现象，并获得了高次谐波典型的频谱结构，其谱宽已经能够支持阿秒量级的脉冲，为激光脉冲突破至阿秒提供了先决性条件。

在高次谐波发展十余年后，皮埃尔•阿戈斯蒂尼于2001年利用高次谐波并结合RABBIT技术（双光子干涉的阿秒拍频重构，reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions），实现了一系列脉冲间距为1.35 fs、脉冲宽度仅为250 as阿秒脉冲的产生与测量，称为阿秒脉冲串。

而在同一年，费伦茨·克劳斯利用更短的飞秒驱动光来产生高次谐波连续谱，并利用阿秒条纹相机技术首次产生并测量了孤立的阿秒脉冲。

至此，阿秒激光时代正式来临。

国内外进展——阿秒研究的前世今生

图片

🔹诺贝尔奖只颁给了上述三位科学家，但仍有不少学者在初期做出贡献。

早在1987年，A. McPherson等人在实验上测量了惰性气体中的高次谐波，是最早公开发表高次谐波现象的论文。同年，M. Yu. Kuchiev等提出了“原子天线”的理论解释，认为电子在母核附近往返振荡发射谐波，其物理图像类似于天线。

1992年，J. L. Krause，K. J. Schafer和K. C. Kulander提出了高次谐波过程的重碰撞图像，称之为simple-man模型，考虑电子在激光场中的经典运动，并由此得出谐波的最高截止能量。

2022年获得沃尔夫物理学奖的加拿大科学家Paul Corkum在1993年提出了半经典的三步模型，在一个经典的重碰撞图像中，高次谐波过程分为以下三步：首先，电子隧穿离开由原子库仑场和激光场共同形成的势垒，随后电子在激光场作用下加速并获得能量。随着激光场方向的改变，电子有一定机会返回母核并被俘获，以高能光子的方式释放出多余的能量产生谐波，三步模型很直观地描述了高次谐波的产生过程，而Corkum也成为了本次诺贝尔物理学奖的最大遗珠。

对高次谐波过程的定量描述，则需要借助量子力学。基于强场近似的详细量子理论于1994年由M. Lewenstein等人给出，通常被称作强场近似或者Lewenstein模型。实际上，强场近似的思想来自于早先对强激光场中原子和固体电离的研究，在1965年由L. Keldysh首次提出，随后被F. H. M. Faisal和H. R. Reiss进行了拓展。直到今天，Keldysh参数都是阿秒领域研究人员非常熟悉的一个重要参数，用以判断激光参数是否能够达到阿秒脉冲产生的要求，不幸的是L. Keldysh已于2016年去世。Lewenstein模型完全从量子力学出发，得到了前述三个过程的对应理论描述，验证并夯实了三步模型的理论基础。至此，该模型被广泛接受并得到了充分发展，成为产生阿秒脉冲的高次谐波过程的标准模型。

🔹我国阿秒激光的研究总体起步较晚，一直处于追赶状态，但近些年有显著进展，相关研究也进入了国际先进水平。

2013年，中国科学院物理研究所实现了160 as的孤立阿秒脉冲。此后，华中科技大学和国防科技大学在2020年相继实现了272 as、88 as的孤立阿秒脉冲。

2019年，中国科学院西安光机所自主研制了高能量分辨阿秒条纹相机，产生和测量了159 as的孤立阿秒脉冲，并在2021年产生了更短的75 as孤立阿秒光脉冲，刷新了国内的阿秒脉冲纪录。

此外，国内研究机构包括中国科学院上海光机所、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、北京大学、华东师范大学、吉林大学、南京理工大学、中国科学院近代物理研究所、西北师范大学等在阿秒激光理论以及应用方面都有重要成果报道。

图片

当前，超快激光技术正朝着更高脉冲能量、更高平均功率、更窄脉冲宽度的目标发展。未来，激光脉冲宽度将从阿秒（as）缩短至仄秒（zs），光子能量将推进至硬X射线和伽马射线波段。此外，阿秒激光能量太低，是限制其应用的最主要原因，在可预测的未来，超快激光领域再次获诺贝尔奖将从高能量阿秒新机理、阿秒应用以及下一个量级的仄秒脉冲中产生。

2021年《Science》发布的“全世界最前沿的125个科学问题”中有十余个问题需要通过超快科学探索解决。例如，复杂激光场中的多体量子相互作用；超导机制--电子库珀对的形成；太阳能电池的光转换--电荷转移激子解离过程；生物分子之间的电荷转移过程；实现PHz开关，将现有的电路响应速度提高100000倍以上等，上述问题都直接与电子动力学相关。

阿秒脉冲将有望在多个科学和应用研究领域涌现出众多原始创新。当前，国际上已经开始阿秒激光设施的建设和竞争，由诺贝尔物理奖获得者Gérard Mourou等人倡导，欧盟率先开展了欧洲极端光设施-阿秒光源（ELI-ALPS）的建设，并推动了欧洲相关激光公司的技术跨代升级。

图片
编辑｜韩昱瑞

校对｜刘   帆

审核｜刘明明

微信扫一扫
关注该公众号

人划线