高速照相机能够在瞬息万变的瞬间捕捉物体的运动。动作发生的时间越短,需要记录它的“快门”就越快,否则图像就会出现残影。从摄影的诞生到 19 世纪末,相机的曝光时间一直较长,无法记录高速运动的清晰图像。直到 1878 年,英国摄影师埃德沃德·迈布里奇(Eadweard J. Muybridge)拍摄到了赛马的照片,首次展示了马匹在奔跑时所有四蹄都同时离地的瞬间。要追踪这种高速运动,摄影技术必须提高其时间分辨率也就是快门速度,这可以让我们追踪人眼无法跟随的高速流逝过程。普通摄像机每秒拍摄 24 帧,即一秒内快门开合 24 次,而高速摄像机可以以小于 1/1000 秒的曝光或每秒超过 250 帧的速率来捕捉运动图像。这种技术对于记录闪电、爆炸等瞬时事件至关重要。
想要记录微观世界的变化,例如化学反应的瞬间、化学键的断裂和生成、分子的转动和振动过程,则需要更快速的快门即皮秒到飞秒量级(1 飞秒=10-15s)。而 2023 年的诺贝尔物理学奖得主们,则以更进一步的时间分辨率来观测电子尺度的运动。
北京时间 10 月 3 日下午 17 点 45 分许,美国俄亥俄州立大学教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼()、德国马克斯·普朗克量子光学研究所教授费伦茨·克劳斯()、以及瑞典隆德大学教授安妮·吕利耶()这三位实验物理学家,作为能够捕捉电子运动的“高速摄影师”,被授予 2023 年诺贝尔物理学奖,以表彰他们开发了能够产生阿秒光脉冲的实验方法,从而用于研究物质中的电子动力学。其中, 也是历史上获得诺贝尔物理学奖的第五位女性。
(来源:诺奖官网)
要理解本次诺奖的意义,就必须掌握阿秒物理学的概念。阿秒(as)是一个极其短暂的时间单位,等于十的十八次方分之一秒 (10^-18)。1 秒内光传播 30 万千米,可以环绕地球约 7.5 次,而在 1as 时间内,光只能传播 0.3nm,一根头发丝的百万分之一都比这个距离要长。而阿秒光脉冲相当于快门时间在阿秒级别的高速摄影机。在这个极小的时间范围内,可以观察和控制原子和分子内电子的行为,从而加深对于电子运动过程的理解。
1987 年, 成功观测到近红外激光诱导产生的高次谐波现象,迈出了阿秒物理学的第一步。她和同事在法国巴黎-萨克雷大学研究氩离子时,发现具有一定能量的皮秒激光脉冲与气体相互作用后,放出了激光频率奇次倍的一系列谐波,即高次谐波 [1]。在后续的理论研究中,他们也预测了高次谐波产生阿秒脉冲的可能性。1993 年,当时在加拿大国家研究委员会工作的物理学家保罗·科克姆()等人在理论上提出并发展了重要的电子再散射的三步模型(如图一所示)。