来源:“学习强国”学习平台 中国科学报社 发布时间:2024/2/27 7:30:00
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科学家回信|潘义明:对阿秒物理的研究推动飞秒技术的应用和普及

 

编者按:2023年5月起,“学习强国”学习平台与中国科学报社联合发起“科学家回信”活动,邀请广大读者向自己心中向往尊敬的科学家、科技工作者提问、留言。活动启动后,“学习强国”“科学网App”收到了读者的踊跃留言。我们精选了读者蒯诗杭的提问,请上海科技大学物质科学与技术学院助理教授、研究员潘义明发出第四十四期回信。

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读者蒯诗杭:2023年诺贝尔物理学奖颁给了阿秒物理,阿秒物理是什么? 对我们普通人的生活有什么影响吗?

潘义明:简单说,阿秒是个非常短的时间单位。阿秒是目前已知光学脉冲可控的最小时间单位,1阿秒等于10-18秒,或者说,将1秒分成100亿亿份,1阿秒只占其中的1份。

人们用这样一个极短的时间单位来定义某一个物理学分支,有其重要意义和价值。

不同的时间单位应用于不同的场景。我们熟悉的时间单位如年、月、时、分、秒,可用于计量我们身边世界。随着人们认知疆域的拓展,探索触角进入分子、原子的世界,想在原子尺度内(10-10米)了解一些生命现象、掌握一些化学反应过程,就需要进行飞秒(10-15秒)甚至阿秒时间尺度内的物理研究。

比如,在氢原子和氧原子结合形成水的化学反应过程中,从分子、原子或更小尺度看,氢键如何断裂,与氧离子结合并形成水分子,这个过程非常短暂。但它需要的时间,差不多是飞秒量级。

通常,化学反应的时间尺度就以飞秒为基本单位。1999年,诺贝尔化学奖颁给艾哈迈德·泽维尔(Ahmed H.Zewail),以表彰他应用飞秒激光闪光成相技术(pump-probe technique),观察到分子中的原子在化学反应中如何运动,从而有助于人们理解和预期重要的化学反应,并为整个化学及其相关科学带来了一场革命。

我们知道光有热效应,比如,晒太阳时,阳光“打”到皮肤表面,我们能感觉到温暖。实际上是太阳光被人的皮肤分子吸收,然后分子开始振动并产生热能。这些热能被神经系统捕捉我们就能感受到温暖。人们用同样的原理进行激光精密器件加工,要把器件表面切割得比较光滑,激光照射的时间就不能过长,因为照射时间过长会使切口附近的分子振动、融化。

所以进行精密加工时用非常强的激光脉冲,瞬间把不需要的部分切掉,让它周围分子来不及产生热效应就完成了。此外,在医学临床上,人们用激光进行肿瘤切除手术、美容美肤等,也是利用极短的飞秒激光来完成的。

从古希腊开始,人们就提出“原子是构成物质的最小单元”。但那时没有人看得到原子,也不知道它是什么样,“原子”只是假说。后来,人们基于严谨的物理实验看见原子,物质结构确实是这样。随着人们一步步提高时空的分辨能力,突破更微小时间和空间的尺度,我们能在原子尺度看到物质运动的动态过程,比如,看到原子里电子如何绕着原子核运动,这就需要亚飞秒到阿秒的时间“尺子”去度量。

就像人们早期看赛马时,想知道赛马奔跑时四只蹄子能否同时悬空。因为马跑得太快了,靠肉眼根本看不清楚,后来人们发明了快门速度达到千分之一秒的高速相机,才把赛马奔跑的实际情况记录下来。当人们研究的视野达到原子和亚原子尺度,就需要阿秒科学中发展出来的技术了。它相当于一个速度极快的快门,能在10-18秒的时间内打开,让激光发射出去再迅速关闭,形成一个极短时间窗口的光脉冲,并用这个脉冲去激发原子内部的电子,让电子从一个量子状态跳到另外一个量子状态,并且可以精准地操控它。

现代物理学有两块基石:相对论和量子力学。其中,量子力学研究的就是空间上达到分子、原子量级(单个原子的空间尺度约10-10米),同时在时间尺度上是飞秒到阿秒的尺度。我们要了解原子的内部以及核外电子的运动,掌握其运动规律,甚至要操控原子,需要的时间精度就是阿秒时间尺子,空间精度则接近一个原子。

目前,人们还没有真正看到电子绕原子核运动的这些现象,要弄清这些核外电子如何从一个能级跳到另一个能级,掌握其运动规律甚至能精确操控原子、电子,我们就需要大力发展阿秒物理,从被动地发现一些物理化学变化规律,到主动地用这些阿秒现象去设计和发展一些功能技术和器件来,并制造出一些人类或者自然界无法自发产生的物理、化学和生物现象来,将是非常吸引人的。

阿秒物理作为科研人员探索世界的新工具,目前还处于前沿研究阶段。因为阿秒技术难度非常大,所需设备造价昂贵,导致科研“门槛”很高,所发展的技术暂时还没有应用于人们的日常生活。

虽然这一项研究距离普通人的距离还有些遥远,但科研人员对于阿秒物理的探索,推动了不少飞秒激光技术,使得飞秒得到应用和普及。比如,飞秒激光切割、激光近视矫正手术出现在我们生产生活中。当前临床上使用的二氧化碳冷分子激光手术其实是种飞秒激光技术。因为飞秒激光手术时间短,因此手术过程中人们完全感受不到疼痛,同时能完成精准切除。

阿秒比飞秒时间尺度更短,能看清更快、更小尺度的现象,甚至能原子尺度内进行切割,如果将来应用到精密加工或医学上,会有更好的精度。另一方面,如果人们掌握了原子运动规律,知道原子怎样结合,掌握了原子内部的量子操控技术,就可以自由地控制电子进行量子跃迁和隧穿。就像用胶水黏东西一样,把不同原子在根基上黏在一起,按照人们需要去设计新的原子分子;像两种作物嫁接那样对原子进行某种意义上的“嫁接”,像“拼乐高”一样制造新药物、开发新材料。

这个过程可能会发现很多新的物理规律,催生很多远超我们日常想象的新事物。甚至可以说,在学术意义下都是新的。

潘义明 上海科技大学物质科学与技术学院助理教授、研究员,上海市领军人才。研究方向为超快电子束调控和量子光学的相互作用,量子模拟和拓扑光学,非线性光学等。在《物理评论快报》《自然-物理学》《自然-通讯》《先进材料》等发表30多篇论文,担任《自然-物理学》《自然-通讯》《物理评论快报》等杂志审稿人。目前正在发展基于拓扑微纳光子学的超快电子显微镜,电介质激光加速器、量子自由电子激光器等量子联合平台。

 
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