从时间域观察微观粒子动力学特性
一个闪光过程，可以描述为一个光脉冲。
所谓阿秒光脉冲，是指持续时间仅在阿秒量级，即100亿亿分之一（10-18）秒的光脉冲。人们所说的“快如闪电”，其实，最快的闪电所持续的时间也仅在百分之一到千分之一秒左右。由此，阿秒究竟有多短多快，以人们宏观的体验是难以想象的。光在1阿秒时间内所能传输的距离仅有0.3纳米，约相当于3个氢原子的直径。如果将1阿秒比之于1秒，那就相当于1秒之于宇宙约140亿的年龄。
目前，利用最先进的电子显微镜，人们已经能够看到原子的图像，这是自然科学从空间域研究物理现象与规律的巨大进步。人们已知，组成物质世界的分子、原子及电子都处在绝对的运动之中，那么如何从时间域观察这些粒子的运动即发生在微观世界的动力学特性，也是人们研究并认识物理现象与规律的另外一个重要方面。1999年，美国加州理工学院埃裔科学家A. H. Zewail教授因首次用飞秒脉冲研究化学反应动力学的工作独享诺贝尔化学奖。
一般来说，分子的振动及原子的运动在皮秒到飞秒的量级，用飞秒脉冲就可以研究不同分子及原子的动力学过程。但对于原子内绕核运动的电子，其时间在阿秒量级，如氢原子中电子绕核一周的时间约为152阿秒。原子结构模型是奠定现代物理学大厦的重要基石，也是量子力学的重要成就，但一直以来缺少对这一理论模型的实验测量。阿秒光脉冲的出现，第一次为人们测量并控制电子的运动提供了前所未有的手段。由于核外电子运行是物理、化学、生物等不同学科都需要共同面对的基本科学问题，因此阿秒光脉冲的出现，在多个学科的前沿研究及应用方面都有着重要的科学意义及实际价值。
迎来超快科学阿秒时代
追踪阿秒光脉冲的产生，与高次谐波（high-order harmonic generation, HHG）密不可分。
当激光作用于非线性晶体时，在特定的条件下会产生二次谐波，也就是所谓的倍频。通常，这种效应需要满足相位匹配条件，并需要激光有一定的强度。不同于常规激光，超短脉冲激光由于对应高的峰值功率及强度，因此当与物质相互作用时，即使没有相位匹配的条件，也会激发出许多不同特性的非线性效应，如多光子效应、阈上电离、自相位调制等。1988年，法国原子和表面物理研究所的A. L' Huillier及M. Ferray等人在已有非线性效应研究的基础上，采用脉冲36ps、峰值功率约1GW的Nd:YAG激光与Ar、Kr等原子气体相互作用，观察到了波长延伸至近30nm的极紫外HHG，并发现这种谐波具有两个典型的特征：一是谐波均为入射激光频率的奇次倍；二是谐波均由下降区、平台区及截止区3个部分组成。这种极紫外相干辐射的产生，为人们获得具有高光子能量的短波长激光提供了一种紧凑而经济的新方案。
不久之后，匈牙利固体物理研究所的G. Farkas和C. Toth等人通过理论分析指出HHG是产生阿秒脉冲的可行方式，有望获得100阿秒的超快激光。1993年，加拿大国家研究院的P. Corkum教授提出了三步模型理论，对其物理机制进行了合理而完美的解释，在其后的研究中也进一步得出高次谐波具有阿秒脉宽的特性。
产生高次谐波的原理示意图（引自Luis Plaja et al; Attosecond Physics-Attosecond--Attosecond Measurements and Control of Physical Systems, Springer Press, 2013）
那么如何通过HHG实现阿秒脉冲呢？
当时人们面临着复杂的技术问题，一是HHG的效率极低，二是需要在真空中传输，三是没有成熟的时间测量技术。因此在以实验结果为依据的物理研究中，无法证明所产生的HHG具有阿秒脉宽。
直到跨入新世纪的2001年，首先由法国与荷兰的联合研究团队在皮埃尔·阿戈斯蒂尼的主导下，在采用40fs的钛宝石放大激光与Ar气相互作用产生HHG的基础上，通过时间飞行电子谱仪（TOP）及微通道板（MCP）测量随延时变化的光电离电子，得到了脉冲宽度为250阿秒、相邻脉冲间隔为1.35飞秒的阿秒脉冲串。但是，这种阿秒脉冲串在应用中存在很大的局限性，实际的应用研究需要孤立的单阿秒脉冲。
时隔不久，由时在维也纳技术大学的F. Krausz教授领衔的一个更为强大的研究团队与P. Corkum教授等合作，在用7fs的飞秒钛宝石放大激光驱动Ne气产生HHG的基础上，采用互相关测量滤波后的极紫外光在Kr气中产生的光电子动量分布，证明了150阿秒的时间分辨测量能力，获得了650阿秒的单个孤立阿秒脉冲，并成功用以Kr原子内电子运动的测量。该结果的实现，标志着超快科学阿秒时代的来临，次年被《自然》和《科学》杂志共同评选为年度十大科学进展之一。
250阿秒脉冲串测量结果（引自P.M.Paul et al; SCIENCE VOL 292, 1689 (2001)）
产生孤立单阿秒脉冲的实验示意图（引自F.Krausz and M.Ivanov, Attosecond physics, Rev of Mod Phys, Vol.81, No.1 (2009)）
未来高新技术产业创新发展策源地
随着孤立阿秒脉冲的出现，人们进一步发展了不同的选通及测量技术，并推动了最短阿秒脉冲的不断进展。如美国中佛罗里达大学常增虎教授的课题组先后于2012年及2017年两次打破阿秒激光脉冲的世界纪录，分别得到了67阿秒及53阿秒的孤立阿秒脉冲结果。欧盟也在匈牙利建设了以阿秒脉冲激光为平台的极端光科学设施ELI-ALPS。
阿秒光脉冲的出现，为超快科学打开了更高分辨率的研究大门，通过测量控制电子的动力学特性，为进一步推动原子分子物理、凝聚态物理、化学、生物等诸多学科的创新发展提供前所未有的手段，可望对诸多物理现象的研究取得新认识，如超导的机理、磁学中自旋交换的本质、半导体中电子和空穴之间的电荷转移机制。
由于物理、生物、化学等领域中的许多现象的本质都来自于原子内电子的运动，因此，在医学领域，阿秒脉冲激光将有助于人们从根本上弄清包括疾病在内的微观起因和形成过程，并用以新药开发的指导。在能源领域，通过阿秒脉冲对材料中的电子运动过程的研究，可望提升光伏电池的效率。在信息领域，通过阿秒脉冲对材料电学性质的控制，已能实现PHz的开关速率，相比目前CPU普遍仅GHz的时钟频率，有望带来信息处理及计算的革命，这些激动人心的工作，不仅是前沿基础科学的热点，也是与未来高新技术产业密切相关的内容。当然，目前阿秒脉冲主要还在实验室发展阶段，进一步的发展还需要科学家与工程技术人员的共同努力。
（作者：魏志义，中国科学院物理研究所二级研究员。首次在国内实现阿秒脉冲的产生测量，多项工作曾打破世界纪录。迄今发表SCI论文400余篇。曾任国际纯粹与应用物理联合会（IUPAP）、马科斯-普朗克阿秒科学中心（MPC-AS）、国际阿秒物理委员会、亚洲强激光委员会等学术机构成员，多次担任该领域国际会议的主席及共主席。以第一完成人获国家技术发明二等奖及中国科学院科技进步二等奖、科技促进二等奖等奖项。中国科学院青年科学家奖（2001）、国家杰出青年基金（2002）、胡刚复物理奖（2011）获得者，先后当选美国光学学会fellow，中国光学学会及中国光学工程学会会士。本文编辑：朱广清）
(责任编辑：王丹萍)
