近日，來自魏茨曼科學(xué)研究所的科研團(tuán)隊(duì)取得一項(xiàng)重大突破。他們成功找到了一種方法，借助兩個(gè)同步激光束，在阿秒（十億億分之一秒）這一前所未有的超快時(shí)間尺度上，觀測光與物質(zhì)之間的相互作用。這一成果對數(shù)據(jù)處理和量子控制領(lǐng)域來說，或許意味著一場重大變革。

想象一下，在不到十億億分之一秒的時(shí)間內(nèi)，就能讓一種材料從透明變?yōu)椴煌该鳎蛘吒淖兯母鞣N特性，是不是聽起來像科幻小說？但如今，這正在逐漸成為現(xiàn)實(shí)。近年來，科學(xué)家們利用激光，能以極快的速度控制物質(zhì)的特性，甚至能在一個(gè)光波周期內(nèi)完成。只不過，這些變化發(fā)生在阿秒時(shí)間尺度上，實(shí)在是太快了，很難被觀測到。

魏茨曼科學(xué)研究所的尼里特·杜多維奇教授及其團(tuán)隊(duì)在《自然光子學(xué)》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究成果。他們研發(fā)出一種開創(chuàng)性的方法，能夠追蹤這些超快的材料變化。在阿秒科學(xué)領(lǐng)域，這一進(jìn)展意義非凡，它探索的可是自然界中最快的過程，也為超快計(jì)算、下一代通信等技術(shù)開辟了新的道路。

那么，他們是怎么做到的呢？這得從光的折射說起。大家都見過彩虹，陽光穿過雨滴時(shí)會減速、彎曲，也就是折射。不同顏色的光在雨滴中的傳播速度略有不同，這就形成了彩虹。通常，像玻璃、水這類材料對光的折射方式是固定的。不過，研究人員發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)大的激光可以在極短時(shí)間內(nèi)改變材料對光的減速程度。

魏茨曼團(tuán)隊(duì)想到，如果能測量激光導(dǎo)致的光在材料中傳播的微小延遲，或許就能實(shí)時(shí)弄清楚激光究竟是如何改變材料特性的。

這項(xiàng)新測量方法是由杜多維奇實(shí)驗(yàn)室的三名研究生奧默·克內(nèi)勒、陳·莫爾和諾亞·亞費(fèi)主導(dǎo)開發(fā)的。他們使用了兩束激光，一束功率強(qiáng)大，由相對較長的脈沖組成，它能改變光在特定材料中經(jīng)歷的光學(xué)延遲；另一束則發(fā)射極短的阿秒脈沖，就像是一臺超高速的慢動作攝像機(jī)。

這些阿秒脈沖會分成兩份，一份不與材料相互作用，作為參考；另一份穿過材料，與材料相互作用并記錄由此產(chǎn)生的阿秒延遲。當(dāng)這兩份脈沖最終匯聚并相互干涉時(shí)，研究人員就能精確重建光穿過材料時(shí)經(jīng)歷的光學(xué)延遲變化。

從量子力學(xué)的角度來看，材料的特性由其能量水平?jīng)Q定，這些能量水平就像一個(gè)能量階梯。電子可以通過獲得或失去適量的能量，在這個(gè)階梯上上下移動。強(qiáng)大的激光會改變這個(gè)能量階梯，比如讓兩個(gè)能級合并成一個(gè)，或者把一個(gè)能級分裂成兩個(gè)。

新方法就像是導(dǎo)航軟件，通過測量阿秒脈沖經(jīng)歷的延遲，重建電子在不同能級之間的“旅行路線”。分析電子的“旅行”過程，研究人員就能知道材料中的能級是如何因激光而改變的。起初，科學(xué)家們用這種方法研究激光如何改變單個(gè)原子的特性，理論計(jì)算表明，這種新方法還能揭示光與更復(fù)雜材料之間的相互作用。

杜多維奇教授表示：“一旦我們能追蹤單個(gè)電子在能級之間的‘旅行’，就能在幾百甚至幾十阿秒內(nèi)，用光線有意且精確地控制材料的特性。這可能會推動最快處理器的研發(fā)，大幅提高數(shù)據(jù)傳輸和處理速度。而且，這種新方法對基礎(chǔ)研究也有重要意義，我們希望借此拍攝到運(yùn)動中電子的‘快照’，發(fā)現(xiàn)更多以前無法觀測到的量子現(xiàn)象。”

據(jù)悉，參與這項(xiàng)研究的還有來自柏林馬克斯 - 博恩研究所、以色列理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科研人員。杜多維奇教授的研究得到了杰伊·史密斯和勞拉·拉普復(fù)雜系統(tǒng)物理研究實(shí)驗(yàn)室的支持。

參考資料：DOI： 10.1038/s41566-024-01556-2