物理群星
费伦茨·克劳斯 肖像

图:Thorsten Naeser / 马克斯·普朗克量子光学研究所 / Wikimedia Commons / CC BY 2.0

费伦茨·克劳斯

Ferenc Krausz

1962–今 · 生于匈牙利莫尔 · 匈牙利 / 奥地利

光学原子与核物理

2001 年他从谐波里切出单个 650 阿秒的闪光——人类第一次有了比原子内电子运动更快的快门

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

高次谐波天然产出的是一串脉冲:驱动激光每半个周期,电子就被拽出去又撞回来一次,于是每半个周期发一次光。对很多实验来说,一串闪光不够用——你想给一个过程拍快照,需要一次曝光。

克劳斯要的是孤立的那一个。

先把驱动激光做短

从一串里切出一个,最直接的思路是让驱动激光本身只剩下一两个振荡周期:周期少到极致,能产生最高能量谐波的就只剩中间那半个周期。

1990 年代后期,他在维也纳与米兰尼索利的小组合作,用充满惰性气体的空芯光纤展宽谱、再压缩,做出了当时世界最短的激光脉冲:氪气 4.5 飞秒、氩气 5 飞秒。同时他把维也纳产生的谐波谱推到 300 电子伏附近的截止。

2001 年,最后一步是筛选:用多层膜的极紫外反射镜只反射截止区附近那一小片谐波,把其余的挡掉。出来的是单个脉冲,宽度 650 阿秒。

怎么量一个 650 阿秒

比这更难的问题是:你拿什么去量它?没有任何电子学能分辨阿秒。

他们的办法是让光自己当尺子。用这束极紫外脉冲从氪原子里打出 4p 光电子,同时让驱动激光的红外场照在同一处。红外场的电矢量在振荡,光电子出射时正赶上场的哪个相位,就会被加速或减速多少——把红外场的振荡当成条纹相机的偏转板,测出的光电子能谱宽度就换算成脉冲宽度。

这套方法叫阿秒条纹相机。它成立的前提是极紫外脉冲与红外场之间的相位被牢牢锁住,而这正是同一束激光既生成谐波、又充当探针带来的好处。

拿它看什么

第二年,他们用阿秒脉冲实时看了原子内壳层空穴的俄歇衰变——此前这类寿命只能从谱线宽度反推。

2010 年那项工作更漂亮:氖原子的 2p 与 2s 电子被同一束光打出来,出射时间相差约二十阿秒。光电效应在爱因斯坦 1905 年的图像里是瞬时的,一百多年后,人们量出了那个「瞬时」里的结构。

此后是固体:电子在绝缘体里被光场推动、金属表面的输运、半导体中载流子的建立——都在阿秒尺度上被逐一打开。

更快的快门

1999 年泽维尔因飞秒化学获诺贝尔化学奖,那把尺子量的是化学键的振动,几十飞秒。

电子的运动比这快上千倍。阿秒脉冲把最后这个量级补上了:光有多快,快门就能有多快——因为快门本身就是光。

代表方程

越短的脉冲越宽的谱

ΔE≳ℏΔt≈1 eV(Δt=650 as)\Delta E \gtrsim \frac{\hbar}{\Delta t} \approx 1\ \mathrm{eV} \quad (\Delta t = 650\ \mathrm{as})

时间与能量的不确定关系反过来用就是一条工程约束:要做出 650 阿秒的脉冲,谱宽至少得有 1 电子伏;要做到 100 阿秒,就得有好几电子伏。这就是为什么阿秒脉冲必须落在极紫外与软 X 射线波段——可见光的整个频段都不够宽。

阿秒是什么尺度

1 as=10−18 sT玻尔轨道≈152 as1\ \mathrm{as} = 10^{-18}\ \mathrm{s} \qquad T_{\text{玻尔轨道}} \approx 152\ \mathrm{as}

氢原子基态上电子绕核一圈约需 152 阿秒。要「看清」这个运动,快门必须比它更快。飞秒激光只够拍分子里原子的位移(化学键振动在几十飞秒量级),电子的运动比它快上千倍——阿秒脉冲把这最后一个量级补上了。

伟大发现