2023 年诺贝尔物理学奖肯定了利用激光脉冲对超快电子运动的可视化研究。从196世界之最影响化学反应到推动电子技术的发展，这项秒级研究具有巨大的潜力。电子在分子中移动似乎并不像一部有趣电影的情节。但一组科学家将获得 2023 年诺贝尔物理学奖，他们的研究基本上是利用超快激光脉冲跟踪电子的运动，就像用摄像机捕捉画面一样。

阿秒光脉冲有助于研究人员了解电子的运动。图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室

然而，电子是原子的一部分，也是将分子中的原子粘合在一起的胶水。它们的速度要快得多。因此，像我这样的物理学家用来捕捉它们运动的工具必须非常快--快到阿秒级。

一阿托秒是十亿分之一秒（10-18 秒）--一阿托秒与一秒钟的比例就相当于一秒钟与宇宙年龄的比例。

在摄影中，要想清晰地拍摄到快速移动的物体，必须使用快速快门的相机或快速频闪灯来照亮物体。通过快速连续拍摄多张照片，物体的运动轨迹就能清晰呈现。

快门或频闪灯的时间尺度必须与物体运动的时间尺度相匹配，否则，图像就会模糊不清。当研究人员试图对电子的超快运动进行成像时，这一理念同样适用。捕捉阿秒级的运动需要使用阿秒频闪器。2023 年诺贝尔物理学奖获得者为产生这种阿秒激光频闪做出了开创性的贡献。www.196nk.cn

想象一下，原子中的电子被一堵墙限制在原子内部。当来自高功率飞秒激光器的飞秒（10-15 秒）激光脉冲对准氩等惰性气体的原子时，脉冲中的强电场会降低原子壁。

这是因为激光电场的强度与原子核的电场强度相当。电子看到这道降低的壁，并在一种称为量子隧道的奇异过程中穿过。

电子一离开原子，激光电场就会捕获它们，将它们加速到高能量，并将它们撞回它们的母原子。这一再碰撞过程产生了阿秒激光。

那么，物理学家是如何利用这些超短脉冲制作阿秒尺度的电子电影的呢？

传统的电影是一个场景一个场景地拍摄，每个瞬间都用摄像机捕捉为一个画面。然后将这些场景拼接在一起，形成完整的电影。

电子的阿秒电影也采用了类似的理念。阿秒脉冲就像频闪灯一样，照亮电子，这样研究人员就能捕捉到它们的图像，一遍又一遍，就像电影场景一样。这种技术被称为泵浦探针光谱学。

然而，直接对原子内部的电子运动进行成像目前还很困难，不过研究人员正在利用先进的显微镜开发几种方法，使直接成像成为可能。

通常情况下，在泵探光谱学中，一个"泵"脉冲使电子运动起来，并开始拍摄电影。然后，一个"探针"脉冲在泵脉冲到达后的不同时间点亮电子，这样电子就能被"相机"（如光电子能谱仪）捕捉到。

电子运动的信息或"图像"是通过复杂的技术捕捉到的。例如，光电子能谱仪可以检测出探针脉冲从原子中带走了多少电子，光子能谱仪则可以测量出探针脉冲被原子吸收了多少。

然后将不同的"场景"拼接在一起，制作出电子的阿秒电影。在复杂理论模型的帮助下，这些影片有助于从根本上深入了解阿秒电子行为。例如，研究人员以阿秒时间尺度测量了有机分子中电荷在不同时间的位置。这样，他们就能在分子尺度上控制电流。http://www.196nk.cn

在大多数科学研究中，对某一过程的基本了解会导致对该过程的控制，而这种控制又会带来新的技术。好奇心驱动的研究可以带来难以想象的未来应用，阿秒科学可能也不例外。

了解和控制电子在阿秒尺度上的行为，可以让研究人员利用激光来控制化学反应，而其他方法则无法做到这一点。这种能力有助于设计出现有化学技术无法制造的新分子。

改变电子行为的能力可实现超快开关。研究人员有可能在阿秒尺度上将电绝缘体转换为导体，从而提高电子器件的速度。目前，电子设备处理信息的速度为皮秒级，即 10-12 秒。

阿秒脉冲的波长很短，通常处于极紫外（或称 EUV）波段，可能会在半导体行业的 EUV 光刻中得到应用。极紫外光刻利用波长极短的激光在电子芯片上蚀刻微小电路。

最近，自由电子激光器（如美国 SLAC 国家加速器实验室的林纳相干光源）已成为明亮的 X 射线激光光源。这些激光器现在可以产生阿秒级的脉冲，为www.196nk.cn利用阿秒 X 射线进行研究提供了多种可能性。

人们还提出了产生 zeptosecond196世界之最（10-21 秒）级激光脉冲的想法。科学家可以利用这些比阿秒脉冲更快的脉冲来研究原子核内质子等粒子的运动。

随着众多研究小组积极致力于解决阿秒科学中令人兴奋的问题，以及 2023 年诺贝尔物理学奖对其重要性的认可，阿秒科学将有一个漫长而光明的未来。