建造超快“阿秒”激光器的物理学家获得诺贝尔奖
- 来源：OFweek激光网
- 2023/10/11 10:39:02
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皮埃尔·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、费伦茨·克劳斯 (Ferenc Krausz) 和安妮·卢利尔 (AnneL'Huillier) 因超短光脉冲而获奖，该脉冲使得对电子的密切研究成为可能。
今年的诺贝尔物理学奖授予了三位物理学家——哥伦布俄亥俄州立大学的皮埃尔·阿戈斯蒂尼、德国加兴马克斯·普朗克量子光学研究所的费伦茨·克劳斯和瑞典隆德大学的安妮·鲁利尔——表彰他们的研究成果研究阿秒光脉冲。
阿秒物理学使科学家能够在最短的时间尺度上观察最小的粒子。获奖者开发了产生这些超快激光脉冲的方法，这些脉冲可用于以最小的尺度研究我们的世界，并在化学、生物学和物理学中得到应用。
位于斯德哥尔摩的瑞典皇家科学院今天上午宣布了该奖项。获胜者分享1100万瑞典克朗(100万美元)的奖金。
获奖者包括第五位获得物理学奖的女性。在之前的 221名获奖者中，只有4名是女性：1903年的玛丽·居里 (Marie Curie) 因其在辐射现象方面的工作而获奖；1963年的玛丽亚·格佩特-梅耶 (Maria Goeppert-Mayer)因揭开了原子结构的一些细节而获奖；2018 年的唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)因在激光物理学方面的工作而获奖；安德里亚·盖兹 ( Andrea Ghez)于2018年获奖。2020年用于研究超大质量黑洞。
当安妮·卢利尔接到电话得知她获胜时，她正在教学。“我演讲的最后半个小时非常困难”她在颁奖后的新闻发布会上说道。“如你所知，获得这个奖项的女性并不多，所以它非常特别。”
诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森在发布会上表示：”产生阿秒光的能力在极小的时间尺度上打开了大门，也打开了通往电子世界的大门。”“早在1925 年，维尔纳·海森堡就认为这个世界是看不见的。感谢阿秒物理学，这种情况现在开始改变。”
意大利米兰理工大学研究阿秒科学的电气工程师莫罗·尼索利 (Mauro Nisoli) 表示，获奖者的选择让他“非常高兴”。德国柏林马克斯玻恩非线性光学和短脉冲光谱研究所的研究员 Marc Vrakking 补充道，获奖者都是“当之无愧的”。“他们一个接一个地为这个领域做出了重大贡献。” 弗拉金和其他专家在西班牙巴塞罗那举行的阿秒科学会议上获悉了今天的消息。“从那一刻起，就没有人能真正倾听谈话了。”
令弗拉金感到惊讶的是，委员会选择只奖励实验物理学家。他说，如果没有理论家的重大贡献，这个领域“永远不可能发展成现在这样”。
阿秒科学
移动速度太快而无法拍摄的物体在拍照时会产生光带图像。但使用极快的频闪灯照亮物体可以使它看起来像是被时间冻结了。阿秒光脉冲的工作原理相同，打开了一个曾经被认为不可能看到的现象世界。
原子科学的故事始于20世纪80年代末，当时L'Huillier和她在一家研究所(后来成为巴黎萨克雷大学的一部分)的合作者正在研究电离氩。当他们将气体暴露在红外激光下时，它会产生一系列更高频率的光子，这意味着氩气发射的单个粒子比触发它们的激光中的粒子具有更高的能量。所有这些频率都是激光的泛音——就像在钢琴上重复相同的音符，但频率更高。
L'Huillier和其他研究人员，包括当时在渥太华加拿大国家研究委员会工作的物理学家Paul Corkum，很快就阐明了气体如何产生这些“高次谐波”的物理原理。这导致了一种称为重碰撞的现象的发现。当激光波撞击原子时，波的电场会撕裂电子，留下正离子。但如果波的频率正确，其快速振荡的场将立即反转方向，并在电子有时间去其他地方之前将电子推回离子。传入的电子通常具有比最初电离原子所需的能量更多的能量，并且额外的能量以高频光子的形式释放。
意识到这些更高的频率可以用来产生极短的脉冲，L'Huiller开始了一项提高高次谐波强度的计划。2001年，巴黎萨克雷大学的 Pierre Agostini 领导的团队率先成功将高次谐波转化为阿秒级脉冲。至关重要的是，阿戈斯蒂尼开发了一种技术来测量脉冲持续时间并确认它们处于阿秒状态——这是以前从未有人做过的。
激光聚焦
最初，阿秒脉冲彼此太接近而没有用处。为了利用它们来研究阿秒级的过程，研究人员需要隔离脉冲。实现这一目标需要从非常短的激光脉冲开始，最多几千阿秒。20世纪90年代末，在Nisoli团队的贡献下，Krausz开发了产生短孤立脉冲的技术。在2001年的一项实验中，克劳斯将他的激光与高次谐波发生器相结合，产生了仅持续650阿秒的脉冲，首次突破了1000阿秒的障碍。“他是早期唯一一个拥有激光技术的人，可以按照您理想的方式进行阿秒科学，”弗拉金说。
在接下来的几年里，克劳斯的团队和其他人利用这项技术进行了一系列开创性的阿秒科学实验。研究人员测量了光电效应的速度，即光将电子从原子上夺走。物理学家知道这是一个复杂的过程，并假设电子不会立即释放，但在阿秒科学成为可能之前，没有办法测量其实际持续时间。
很快，这些技术不仅应用于单个原子，还应用于分子，甚至固体和液体。阿秒脉冲可以揭示分子失去电子并电离后立即发生的情况：剩余的电子开始重新排列，“早在原子核意识到发生任何事情之前”，尼索利说。研究人员现在正在努力将该技术扩展到“原子化学”：他们计划使用光脉冲以不会自发发生的方式引导键的形成和断裂。
“这项研究的动力非常根本——我们能否创造短脉冲以及我们能用它做什么？” L'Huillier在新闻发布会上说道。“我们需要时间才能开始看到在医学、半导体行业和化学领域的应用。”
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