物理群星
皮埃尔·阿戈斯蒂尼 肖像

图:Cosinustangente,2023 年摄于法国原子能委员会 LIDYL 实验室 / Wikimedia Commons / CC BY 4.0

皮埃尔·阿戈斯蒂尼

Pierre Agostini

1941–今 · 生于突尼斯突尼斯市 · 法国

光学原子与核物理

他先发现电子会「超额」吸收光子,二十二年后又用同一件事量出了阿秒脉冲的长度

诺贝尔物理学奖 2023 产生阿秒光脉冲、用以研究物质中电子动力学的实验方法

1979 年,阿戈斯蒂尼在萨克雷发现了一件当时讲不通的事。

按照光电效应的标准图像,原子吸收足够能量的光子后电子逸出,多余的能量变成动能,故事结束。可他在强激光下测到的光电子能谱上,出现的不是一个峰,而是一串等间距的峰,间距恰好是一个光子的能量。

电子在挣脱原子之后,还在继续吸收光子。这个现象叫阈上电离,此后十年是强场激光原子物理的核心课题,也是后来「三步模型」那套图像的实验根基——电子被拽出来之后仍与激光场纠缠不清。

二十二年后

1987 年,同一间研究中心里,吕利耶发现了高次谐波的平台。理论上,那片平台意味着可以合成阿秒量级的脉冲。

但没有人知道怎么证明做出来的确实是阿秒脉冲。任何电子学仪器的响应都在皮秒量级,比阿秒慢六个数量级;这就像要用挂钟去测子弹穿过一张纸的时间。

答案还是用光量光。

RABBITT:让两条路径互相干涉

他 1994 年研究过双色光场中的频率调制,这套原理后来发展成一个方法,名字缩写成 RABBITT——「用双光子跃迁的干涉重建阿秒拍频」。

思路是这样的:把待测的极紫外谐波与一束弱的红外光同时打到气体上。一个电子可以吸收第 q 次谐波再吸一个红外光子到达某个能量,也可以吸收第 q+2 次谐波再放出一个红外光子到达同一能量。两条路径终点相同,于是干涉。

改变谐波与红外光之间的延时,这个干涉产生的「边带」信号会随之振荡,而振荡的相位里,恰好装着各次谐波之间的相对相位。把相位拼出来,脉冲的形状与宽度就重建出来了。

2001 年,他们用这套方法给出答案:脉冲列中每个脉冲宽 250 阿秒,间隔 1.3 飞秒——正是驱动光周期的一半。

同一年,维也纳的克劳斯用另一条路做出了单个 650 阿秒的孤立脉冲。两篇论文相隔几个月,阿秒物理从此成立。

一条完整的线

从 1979 到 2001,他做的其实是同一件事的两端。

阈上电离揭示的是:强场里的电子会与激光场持续交换光子。而 RABBITT 用的正是这一点——让电子同时走两条只差一个光子的路径,用它们的干涉当尺子。

当年那个「讲不通」的现象,二十二年后变成了测量阿秒的工具。

代表方程

阈上电离

E电子=nℏω−Ip,n>nmin⁡E_{\text{电子}} = n\hbar\omega - I_p, \qquad n > n_{\min}

1979 年他发现的现象:原子在强激光里不止吸收「刚好够电离」的那些光子,还会继续多吸几个,于是光电子能谱上出现一串等间距的峰,间距正是一个光子的能量。这打破了当时的图像——电离不是一道门槛过去就完事,电子在自由态之间还能继续吸收。这套物理后来成了整个强场激光原子物理的起点。

脉冲列的节拍

Δt间隔=T02≈1.3 fs(λ0=800 nm)\Delta t_{\text{间隔}} = \frac{T_0}{2} \approx 1.3\ \mathrm{fs} \quad (\lambda_0 = 800\ \mathrm{nm})

高次谐波是每半个驱动光周期产生一次,所以叠加出来的是一串等间隔脉冲,而不是单个闪光。800 纳米激光的周期是 2.67 飞秒,脉冲间隔就是 1.33 飞秒;2001 年他测出串里每个脉冲本身宽 250 阿秒。

伟大发现