2023年諾貝爾物理學獎授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）、安妮·呂利耶（Anne L’Huillier），以表彰他們在阿秒光脈沖方面所做出的貢獻，，這一成果具有什么意義？

脈沖激光在人類認識微觀世界上，發揮著無比重要的作用。

不同脈沖頻率的激光，猶如我們特殊的眼睛，幫助我們探索微觀世界。

納秒級（10^9）的脈沖可以研究表面、晶體層、納米結構的結構變化動力學過程。

皮秒級（10^12）脈沖可以研究分子旋轉動力學過程。

飛秒級（10^15）脈沖可以研究原子尺度的振動過程。

當然，在實際運用上，納秒、皮秒、飛秒等各種級別的激光脈沖，在醫學和材料學方面具有廣闊的運用。

• 生物醫學：激光殺菌、激光治療、激光手術、激光檢測。
• 材料科學：激光切割、激光焊接、激光打標。

而到了阿秒（10^?18）脈沖級別，如此小的尺度，一秒鐘能跑299792458米的光，在1阿秒的時間內，都只能跑0.3納米。

其實它的實用性，已經大大降低。

但在微觀物理領域，它的重要性，簡直如同打開一扇大門的鑰匙。

因為，我們的眼睛可以借助阿秒激光“進入”亞原子世界，足夠觀測電子的移動以及能量改變。

這便是這次諾獎介紹中提到的電子動力學。

電子動力學其實可以追溯到1927年。

玻恩和他的學生奧本海默共同提出了玻恩-奧本海默近似：

• 原子核質量比電子質量大很多，互相作用時，原了核速度比電子小很多。當原子核分布發生微小變化，電子便會隨著原子迅速變化，對軌道變化并不敏感。電子的運動形式由原子唯一決定，電子永遠處于由原子構型所決定的基態勢能面上。

巧合的是，近期剛剛熱映了電影《奧本海默》。

奧本海默沒有獲得過諾貝爾物理學獎，也是很多人心中的遺憾。奧本海默-沃爾科夫極限（中子星的質量上限），是值得一個諾貝爾物理學獎的。

簡單來說，在玻恩-奧本海默近似下，求解薛定譜方程時，原子核坐標可視為常數，分子波函數就可以分解成電子波函數和原子核波函數兩部分。原子核與電了運動的問題，就變成了電子在固定原子核場中的運動問題。 這樣，對于分子結構的研究，就由原來的多粒子體系簡化為 N個全同粒子（電子是質量、電荷、自旋等特征完全相同的粒子）體系的研究，大大簡化了多粒子體系的復雜度。 然而，涉及超快過程、電子激發態過程等特殊情況，玻恩-奧本海默近似便不再適用。此時的電子動力學，還與與電子體系本身的演化歷史、電子和原子核耦合相關。

隨著微觀物理的發展，對電子動力學性質的精確描述和解釋，無論從理解上還是實驗上，都遇到了極大的挑戰。

這相當于在20世紀下半葉，微觀物理學遇到了一扇新的門，急需一把新鑰匙來打開這扇門。

而皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）、安妮·呂利耶（Anne L’Huillier）三人，今年之所以獲得物理學諾貝爾獎，正是找到了創造阿秒激光脈沖的方法，獲得了這把鑰匙。

激光原理，可以追溯到1916年愛因斯坦關于光與物質相互作用的理論。

簡單來說，電子從高能級回落到低能級，所釋放（激發）出來的光子，匯聚成束就是激光。特殊的產生形式，也令激光具有單色性、方向性好、亮度高、相干性高等特征。

人類真正制造出激光，已經是1960年：

• 在紅寶石晶體基質Al2O3中摻入約0.05%的Cr2O3，從而使得紅寶石中的電子泵浦到相同的較高激發態上，然后在極短時間內掉到同一較低能級上，從而獲得高單色性的激光。

激光的激發特性，也決定了，最容易獲得的是脈沖激光。其脈沖特性，也比連續激光（需要讓激發的電子能級均勻分布）更加適合用在微觀研究領域。

隨后人們開始了對激光的大量研究和應用。

1987年，安妮·呂利耶（獲獎第三位）利用惰性氣體傳輸紅外激光時，發現產生了很多不同于原激光的“泛音”[1]。

簡單來說，這就像彈吉他的過程。

弦振動產生某種基頻的聲音，如果受到手指等其它因素的干擾，產生的音波互相影響而出現的諧波，這便是泛音。

其實，人在說話的時候，之所以我們能改變發聲，很大程度上，并不是直接改變聲帶的振動，而是通過喉嚨、口腔、鼻腔共鳴，產生泛音，從而對我們的最終發聲產生影響。

而激光泛音，正是激光與惰性氣體原子相互作用而產生的，本質上是一種高次諧波（HHG）。

20世紀90年代，安妮·呂利耶和其團隊都在致力于研究這種泛音。他們對其光譜形狀進行了預測，認識到這是單電子效應[2][3]，并對高次諧波過程提出了清晰理解：

電子在強激光作用下發生隧穿電離，離開原子，然后在激光場中加速，獲得能量。最后再落回原子場中，把剛才獲得的能量以光子的形式釋放而出。

這里，可以簡單理解成電子被激光強電離，吸收能量后再次落回軌道，從而激發出新的光子。這些光子一般相當于紫外線。

由于都是相同性質的光，所以這些光波重疊時，相同方向的波會成倍增強，而相反方向的波則會互相抵消。當重合到一個恰到好處的位置，高次諧波激光便產生了。

高次諧波的原理解釋，其實和皮埃爾·阿戈斯蒂尼（獲獎第一位）更早的研究有關。

1979年，皮埃爾·阿戈斯蒂尼和其團隊在實驗中發現了原子的超閾值電離(ATl)，這正是激光高次諧波產生的基礎[4]。

而到了1994年，皮埃爾·阿戈斯蒂尼團隊發明了RABBITT（通過雙光子躍遷干涉重建阿秒跳動）技術[5]，從而有了測量高次諧波阿秒脈沖持續時間的可能。

2001年，皮埃爾·阿戈斯蒂尼，用氬氣實現了250阿秒的一系列連續光脈沖，并用RABBITT技術進行了測量[6]。簡而言之，這種技術可以使脈沖串（一系列高次諧波）與激光延遲部分放在一起，從而可以觀察泛音彼此同相的過程，這自然也可以同時測量脈沖持續時間。

而費倫茨·克勞斯（獲獎的第二位）則通過使用多層XUV反射鏡選擇更少周期的脈沖在截止點附近產生諧波，制造出了650阿秒的單個光脈沖，同時進行了相應的光電子能譜分析。

至此皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）、安妮·呂利耶（Anne L’Huillier）三人的研究，打開了微觀物理新大門，阿秒激光在原子、分子，以及電子動力學、凝聚態物理有了前所未有的用武之地。

總的來說，三位諾獎得主，實至名歸：

皮埃爾·阿戈斯蒂尼無論從原理解釋還是應用基礎上，都具有極大的功勞。而費倫茨·克勞斯則在應用上有著決定性的貢獻，與皮埃爾·阿戈斯蒂尼的測量技術互為補充。而安妮·呂利耶則有開創之功，并在皮埃爾·阿戈斯蒂尼早期研究的基礎上，對阿秒激光原理進行了解釋。

參考

1. ^Ferray M, L'Huillier A, Li X F, et al. Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases[J]. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 1988, 21(3): L31.
2. ^L’Huillier A, Balcou P. High-order harmonic generation in rare gases with a 1-ps 1053-nm laser[J]. Physical Review Letters, 1993, 70(6): 774.
3. ^Lewenstein M, Balcou P, Ivanov M Y, et al. Theory of high-harmonic generation by low-frequency laser fields[J]. Physical Review A, 1994, 49(3): 2117.
4. ^Agostini P, Fabre F, Mainfray G, et al. Free-free transitions following six-photon ionization of xenon atoms[J]. Physical Review Letters, 1979, 42(17): 1127.
5. ^Klünder K, Dahlstr?m J M, Gisselbrecht M, et al. Probing single-photon ionization on the attosecond time scale[J]. Physical Review Letters, 2011, 106(14): 143002.
6. ^Paul P M, Toma E S, Breger P, et al. Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation[J]. Science, 2001, 292(5522): 1689-1692.