阿秒激光技术是否将成为物理学的未来?

更新时间:2023-10-10 09:23:50点击:1379407 行业观点

2023年诺贝尔物理学奖得主:Pierre Agostini、Ferenc Krausz和Anne L'Huillier

2023年度的诺贝尔物理学奖正式揭晓。

北京时间10月3日,瑞典皇家科学院宣布,2023年诺贝尔物理学奖授予三位科学家:美国俄亥俄州立大学教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini),匈牙利物理学家、德国慕尼黑大学马克斯普朗克量子光学研究所的费伦茨·克劳斯 (Ferenc Krausz) ,以及法裔瑞典隆德大学教授安妮·吕利耶 (Anne L'Huillier),以表彰他们“为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”。

据悉,今年每项诺贝尔奖的奖金增加到1100万瑞典克朗(约合717万元人民币),上述三位科学家将平分单项奖金。

值得注意的是,今年的诺贝尔物理学奖迎来了第5位女性得主、现年64岁的安妮·吕利耶(Anne L'Huillier)教授。

事实上,物理学奖给予女科学家极为罕见。此前只有1903年获奖的物理学家居里夫人,1963年的旅美德国物理学家Maria Goppert-Mayer,2018年的加拿大科学家唐娜·斯特里克兰,以及2020年获奖的美国天文学家安德烈娅·盖兹 四位女科学家获得诺贝尔物理学奖。

随着此次三位获奖者的研究成果,即利用阿秒(原秒)级的极短光脉冲技术,实时观测电子在原子内的运动或改变能量的快速过程,从而推动了光学成像、药物溶解,生命反应、核爆、光电子等技术领域的发展。

那么,新的阿秒光脉冲激光技术能否成为物理学的未来?

在最短时间尺度上探索最小粒子

在以化石能源为动力的现代交通工具出现之前,马作为最快的交通工具已经为人们服务了几千年。千百年来,无数人好奇马在奔跑过程中,是四脚腾空,还是始终有一蹄着地。

随后,人们就开始考虑用照相技术来解决这一问题。1878年,为了研究马的跑步姿势,Leland Stanford通过快速控制照相机的快门开关,拍下了世界上第一个“电影”,即一组赛马奔跑的照片,确定了马匹在奔跑中四蹄是全部离地的。因此,在这个事件中,照相机接收到的信号实际上是一个一个地光脉冲,这和后来的超快激光有着异曲同工之处。

而随着光测技术的提升,空间的距离开始通过光的传播进行测量,即实现更快的快门实现空间分辨率的提升。

具体来说,电影的时间分辨能力一般是几十帧也就是几十毫秒量级(10-2s)。随着技术发展,如今的超高速摄影机可以达到微秒量级(10-6s)的时间分辨能力,天文学家甚至需要达皮秒(1ps=10-12 s)、飞秒 (1fs=10-15 s),甚至阿秒(1 as=10-18 s)级别。

此次三位物理学奖得主的研究领域——阿秒光脉冲,则是一种发光持续时间极短的光脉冲,其脉冲宽度小于1 fs。

阿秒光脉冲的重要性在于,通过提供超短的光脉冲技术,可提高观测微观粒子高速运动的时间分辨率。例如,氢原子中电子绕核一周的时间为152 as,而观察电子绕原子核的运动需要超高的时间和空间分辨率,使得人们能更准确地控制和理解原子至亚原子级的微观世界,类似于高速相机捕捉快速事件如爆炸的气球或飞速的子弹。

1987年,安妮·吕利耶 (Anne L'Huillier)发现,当她通过惰性气体传输红外激光时,会产生许多不同的光的泛音。每个泛音是一个光波,在激光光源中每个周期都有一定数量的周期。它们是由激光与气体中的原子相互作用而产生的,激光给予一些电子额外的能量,然后以光的形式反射出去。卢利尔继续探索这一现象,为后来的突破奠定了基础。

安妮1958年生于巴黎,是法国著名为物理学家,现为隆德大学原子物理学教授。她在法国萨克莱核研究中心取得实验物理学博士学位。从1986年起,开始在萨克莱核研究中心正式工作。1992年,她在隆德参加安装了欧洲第一批飞秒脉冲钛蓝宝石固态激光系统之一。2003年,她带领团队产生了170阿秒脉宽的脉冲激光,打破了世界纪录。有趣的是,安妮在2007年至2015年期间还担任过诺贝尔物理学委员会的成员。自2004年以来一直是瑞典科学院的成员,后来成为美国物理学会和光学学会会员,在2018年当选美国国家科学院外籍院士。

2021年,安妮因“在超快激光科学和阿秒物理方面的开创性工作,实现和理解高谐波产生并将其应用于原子和分子中电子运动的时间分辨成像”而被授予美国光学学会马克斯·伯恩奖。在2022年,她除了获得了沃尔夫物理奖以外,还被授予BBVA基金会基础科学知识前沿奖。

除了第五位女性得主外,另外两位2023年诺贝尔物理学奖得主,也都是推动阿秒光脉冲技术快速应用与发展的重要人士。

2001年,皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)成功产生并研究了一系列连续的光脉冲,其中每个脉冲仅持续 250阿秒。与此同时,费伦茨·克劳斯 (Ferenc Krausz)进行了另一种类型的实验,该实验可以分离出持续650阿秒的单个光脉冲。

其中,费伦茨于1962年出生于匈牙利,是匈牙利-奥地利物理学家,现任维也纳技术大学教授、马克斯普朗克量子光学研究所主任等机构。2006年,他共同创立了慕尼黑先进光子学中心(MAP),并开始担任其董事之一。2001年,他的研究团队产生并测量了第一个阿秒光脉冲,并用它来捕捉原子内部电子的运动,标志着阿秒物理测量技术的诞生,是当今实验阿秒物理的技术基础。他同样在2022年同时获得了沃尔夫物理奖和BBVA基金会基础科学知识前沿奖。

皮埃尔则是法裔美国实验物理学家,因发明了用于表征阿秒光脉冲的 RABBITT(通过双光子跃迁干涉重建阿秒跳动)技术而闻名。

诺奖官网称,三位获奖者的贡献使得对以前无法追踪的快速过程的研究成为可能。

“我们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理使我们有机会了解电子控制的机制。下一步将是利用它们。”诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森 (Eva Olsson) 表示。

目前,阿秒光脉冲已经成为研究原子、分子等亚原子尺度的物理规律最有力的工具。其中,关于原子的物理现象主要是原子内电子电离、多电子俄歇衰变、电子激发弛豫和成像等,而关于分子的研究主要是分子的解离过程和控制、分子的振动和转动与超快电子运动的耦合等。

不仅如此,利用阿秒光脉冲技术,还可以观察到比如闪电产生,药物溶解,生命反应等人眼无法分辨的瞬态现象,同时可以帮助人类控制导弹发射、核爆等工程过程,均发挥着重要作用。

阿秒光脉冲这种超快分辨的技术能力,已经为研究电子动力学技术发展打开了大门。

超221人获诺贝尔物理学奖,今年奖金增至717万

据悉,诺贝尔物理学奖是诺贝尔奖的六个奖项之一,由瑞典皇家科学院每年颁发给在物理科学领域做出杰出贡献的科学家。

据瑞典著名化学家、企业家、发明家诺贝尔(Alfred Nobel)的遗愿,该奖由诺贝尔基金会管理,由瑞典皇家科学院选出5名成员组成一个委员会来评选出获奖者。诺贝尔物理学奖于1901年首次颁发给德国的威廉·伦琴。

诺奖官网显示,从1901年至2022年,诺贝尔物理学奖共颁发了115次,没有颁发的六年分别是1916、1931、1934、1940、1941和1942年。其中47次为单独获奖者,32次为2人共享,37次为3人共享。

截至2022年,共有222位学者获得诺贝尔物理学奖,但实际获奖个人为221人,因为美国物理学家约翰·巴丁(John Bardeen)于1956年和1972年两次获奖。

同时,最年轻的诺贝尔物理学奖获奖者是英国物理学家Lawrence Bragg,1915年因“用X射线对晶体结构的分析所作的贡献”与父亲一起获奖,时年25岁;最年长的获奖者是美国物理学家Arthur Ashkin,2018年因“在激光物理学领域所作出的开创性发明”获奖,时年96岁。

值得一提的是,今年诺贝尔奖的奖金增加100万瑞典克朗,使奖金总额达到1100万瑞典克朗(约合717.51万元人民币)官方称,这主要由于诺贝尔基金会财务状况良好,有消息称其资金投资于国债、房地产和股市,财务收益影响了诺贝尔奖的奖金金额,近年来一直在调整

截至2022年底,诺贝尔基金会的投资资本已经达到57.99亿瑞典克朗(约合37.83亿元)。

法新社称,这将是诺贝尔奖一百多年历史上的最高奖金金额,而最初诺贝尔遗产仅3100万瑞典克朗(今天约合17.02亿瑞典克朗)。

至今,诺贝尔奖已经走过120多年,成为了全球最受关注的顶尖科学奖项,长远地激励着人类的科学进步。

以下是过去8年诺贝尔物理学奖得主名单:

2022年:阿兰·阿派克特 (Alain Aspect)、约翰·F·克劳瑟 (John F. Clauser)和安东·蔡林格 (Anton Zeilinger) 三人“因纠缠光子实验、违反贝尔不等式并开创了量子信息科学”而获奖,属于原子分子与光物理学(AMO)。

2021年:美德意三位科学家因“对人们理解复杂物理系统的开创性贡献”而获奖,源于统计物理和复杂系统领域。其中,美籍日裔科学家Syukuro Manabe、德国科学家Klaus Hasselmann的获奖理由是“物理模拟地球气候,量化变化和可靠地预测全球变暖”;意大利科学家Giorgio Parisi的获奖理由是“发现从原子到行星尺度的物理系统的无序和波动的相互作用”。

2020年:美国、德国三位科学家获此奖项。其中,英国科学家Roger Penrose获奖理由是“发现黑洞形成是广义相对论的一个有力预测”;另外两位获奖者德国和美国科学家Reinhard Genzel、Andrea Ghez,获奖理由是“在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体”。

2019年:美国科学家James Peebles获奖,获奖理由是“在物理宇宙学的理论发现”;另外两位获奖者是瑞士科学家Michel Mayor和Didier Queloz,获奖理由是“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”。

2018年:美法加三位科学家Arthur Ashkin、Gerard Mourou和Donna Strickland获奖,获奖理由是“在激光物理学领域所作出的开创性发明”。

2017年:三位美国科学家Rainer Weiss、Barry C. Barish和Kip S. Thorne获奖,获奖理由是“对LIGO探测器和引力波观测的决定性贡献”。

2016年:英美三位科学家David J. Thouless、F. Duncan M. Haldane、J. Michael Kosterlitz获奖,获奖理由是“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”。

2015年:日本科学家Takaaki Kajita和加拿大科学家Arthur B. McDonald获奖,获奖理由是“发现了中微子振荡,表明中微子具有质量”。

据悉,就在颁发物理学奖的前一天,匈牙利裔美国科学家卡塔琳·卡里科 (Katalin Kariko) 和美国人德鲁·韦斯曼 (Drew Weissman)因发明mRNA疫苗技术而获得诺贝尔医学奖。

钛媒体app了解到,10月4日(周三)将公布诺贝尔化学奖,诺贝尔文学奖将于5日公布,诺贝尔和平奖将于6日公布,经济学奖将于10月9日公布。今年诺贝尔奖得主将于12月10日诺贝尔逝世周年纪念日的典礼上接受现场颁奖。

(本文转发钛媒体App,作者|林志佳)

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