电子是一切背后的英雄，人类正在非常接近于理解和控制它们

去年10月3日宣布，三位杰出的科学家因其关于原子内电子运动的研究而赢得了诺贝尔物理学奖，这种运动发生在极小的几分之一秒内。他们的研究揭示了这些快速电子在原子内部扮演的重要角色，这影响了从物理学和化学到我们的身体以及我们每天使用的一切。

三位杰出的人士获得了诺贝尔奖

• 皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）

法国实验物理学家皮埃尔·阿戈斯蒂尼于1941年7月23日出生。他在阿秒科学和强场激光物理方面的开创性工作广受认可。他的重要贡献之一是发现了超阈值电离现象，以及发展了一种称为“通过两光子跃迁的干涉重建阿秒跳动”（RABBITT）的描述阿秒光脉冲的方法。

• 费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）

匈牙利-奥地利物理学家费伦茨·克劳斯于1962年5月17日出生，是阿秒科学（attosecond science）的专家。他在阿托物理领域的最重要贡献之一是创造和测量了第一个阿秒光脉冲，这在使得原子内电子移动性的研究成为可能方面发挥了关键作用，并代表了一个重大转折点。

• 安妮·勒休里耶（Anne L’Huillier）

物理学家安妮·勒休里耶于1958年8月16日出生。她拥有瑞典和法国的双重国籍。她在瑞典隆德大学担任原子物理学教授。她带领一个研究小组从事阿秒物理学的研究，实时探索电子的运动。这项研究在解释原子级化学过程方面有现实世界的应用。2003年，勒休里耶和她的同事们取得了一个值得注意的成功，他们打破了最短激光脉冲的世界记录，测量到仅有170阿秒。

对电子行为的量子飞跃理解

电子移动如此迅速，以至于对它们进行深入研究极具挑战性。然而，在极短的时间内，被称为阿秒（0.000000000000000001秒），科学家们发现了一种观察它们的方法。这是一个重大的发现，将助力未来科学家的研究。

简单来说，诺贝尔委员会成员Mats Larsson表示

电子就像是我们所做一切背后的无名英雄。我们正在非常接近于理解和控制它们发生时的行为。

• 瑞典皇家科学院

瑞典皇家科学院表示，三位获奖者的研究为我们提供了新的工具，以研究原子和分子中的电子。他们发明了一种制造超短光脉冲的方法。这让我们能够看到电子快速移动的情况，特别是当它们改变能级时。

• 图片来源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

阿秒科学帮助我们探究重要问题，比如光电效应发生的速度有多快。这个效应是阿尔伯特·爱因斯坦在1921年赢得诺贝尔物理学奖的原因。

如何制造阿秒激光脉冲？

• 图片来源：Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室

高次谐波产生是近红外激光束击中普通玻璃片的结果。这一过程产生的阿秒是极其短暂的激光光脉冲，比十亿分之一秒还要短数十亿倍。此外，与初始激光束中的光子相比，这些脉冲中的光子具有更高的能量。

让我们放大来看这是如何发生的。即将到来的激光将玻璃原子中的电子（e-）逐出。这些电子随后飞离，形成一个环路，然后要么重新连接到它们原来的原子（如右下所示），要么与邻近的原子连接（如左上所示）。由于这些重新连接，玻璃发出一系列阿秒脉冲，这些是强烈的光脉冲。这些脉冲可用于研究电子如何穿过固体材料。

由磁场和电场的振动产生的波形成了光。这些波的波长对应于不同的颜色。例如，红光每秒完成超过430万亿次循环，其波长约为700纳米，非常微小。光波从峰到谷再回到峰的一个完整周期是可能的最小光脉冲。标准激光系统无法产生小于飞秒的波长，这使得在1980年代生产极短光脉冲变得困难。

通过混合具有适当振幅（它们的峰和谷之间的距离）、波长和直径的波，可以从数学上产生任何波形。产生阿秒脉冲的关键是结合更多更短的波长以创造更短的脉冲。这些极短的光脉冲，通过结合不同波长的短波产生，对于检测原子尺度上电子的运动是必需的。

为了向光中添加额外的波长，我们不仅仅使用激光。还有一个涉及将激光通过气体的技巧。当光遇到气体中的原子时，会发生一些有趣的事情。它产生了泛音，这些泛音是额外的波，每个原始波的循环都会完成多个循环。这有点像不同乐器给相同音乐笔记带来独特的声音。这种现象帮助科学家检查极短的时刻，几乎像是超级近距离地放大时间本身！

当激光与气体中的原子相互作用时，会扰乱围绕原子核的电场，产生电磁振动。结果有些电子可能从它们的原子中分离出来。尽管如此，光的电场从未停止脉动，如果它改变方向，一个释放的电子可能会找到回到其原子中心的路径。电子在此过程中从激光光的电场获得更多能量。它必须以光脉冲的形式释放这些额外的能量以重新加入核心。在测试中看到的泛音是电子产生的光脉冲引起的。

从海森堡的不确定性到阿秒精度

量子力学的早期支持者之一，维尔纳·海森堡在1925年声称，看到电子绕氢原子轨道的时间长度是不可能的。从某种意义上讲，他是正确的。与行星绕恒星旋转不同，电子并不绕原子核旋转。相反，物理学家将它们视为一种不精确的概率波，表明任何给定时间电子可能的位置。因此，追踪电子在空间上的运动是不可能的。但海森堡没想到的是，20世纪的科学家，包括勒休里耶、阿戈斯蒂尼和克劳斯会有多精明。探测到电子在特定位置的可能性变化极其迅速，如从一个阿秒到下一个阿秒。

长时间看来，没有明显的方法使光振荡得更快，因此构建更快的相机似乎是不可能的。但在1987年，安妮·勒休里耶及其同事们做出了一个了不起的发现。某些气体暴露于光下，激发了气体中的原子并使它们释放出其他颜色的光，这些光的振荡速度是初始激光脉冲的几倍。物理学家对这一现象感到困惑，这种现象被称为“泛音（overtones）”，因为鲜艳的颜色以不寻常的排列出现。

回到1990年代初，勒休里耶和她的团队深入量子物理学，以理解原子是如何演奏不同的音符的。他们发现了一种混合这些音符以创建一个具有超快爆发的新波的方法，这些爆发发生在阿秒时间内。这就像指挥一群原子完美和谐地一起演奏，就像交响乐团一样。

多年来，科学家们利用这种对泛音的详细知识，在实验室中制造超快脉冲。阿戈斯蒂尼和他的团队提出了一种他们昵称为“Rabbit”的方法。它是“通过两光子跃迁的干涉重建阿秒拍动”的简称。

• 通过两光子跃迁的干涉重建阿秒拍动。

用阿秒脉冲，我们可以测量电子从原子分离所需的时间，以及这个时间与电子与原子核的结合紧密度有多大的依赖性。此外，我们可以重现材料和分子内电子分布的振荡，这使我们能够超越之前确定它们平均位置的技术。这一研究主题在多个领域都有很大的潜力，如改善疾病诊断和电子产品。