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皮埃爾·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、費(fèi)倫茨·克勞斯 (Ferenc Krausz) 和安妮·盧利爾 (AnneL'Huillier) 因超短光脈沖而獲獎(jiǎng)，該脈沖使得對(duì)電子的密切研究成為可能。
今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了三位物理學(xué)家——哥倫布俄亥俄州立大學(xué)的皮埃爾·阿戈斯蒂尼、德國(guó)加興馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所的費(fèi)倫茨·克勞斯和瑞典隆德大學(xué)的安妮·魯利爾——表彰他們的研究成果研究阿秒光脈沖。
阿秒物理學(xué)使科學(xué)家能夠在最短的時(shí)間尺度上觀察最小的粒子。獲獎(jiǎng)?wù)唛_發(fā)了產(chǎn)生這些超快激光脈沖的方法，這些脈沖可用于以最小的尺度研究我們的世界，并在化學(xué)、生物學(xué)和物理學(xué)中得到應(yīng)用。
位于斯德哥爾摩的瑞典皇家科學(xué)院今天上午宣布了該獎(jiǎng)項(xiàng)。獲勝者分享1100萬瑞典克朗(100萬美元)的獎(jiǎng)金。
獲獎(jiǎng)?wù)甙ǖ谖逦猾@得物理學(xué)獎(jiǎng)的女性。在之前的 221名獲獎(jiǎng)?wù)咧校挥?名是女性：1903年的瑪麗·居里 (Marie Curie) 因其在輻射現(xiàn)象方面的工作而獲獎(jiǎng)；1963年的瑪麗亞·格佩特-梅耶 (Maria Goeppert-Mayer)因揭開了原子結(jié)構(gòu)的一些細(xì)節(jié)而獲獎(jiǎng)；2018 年的唐娜·斯特里克蘭(Donna Strickland)因在激光物理學(xué)方面的工作而獲獎(jiǎng)；安德里亞·蓋茲 ( Andrea Ghez)于2018年獲獎(jiǎng)。2020年用于研究超大質(zhì)量黑洞。
當(dāng)安妮·盧利爾接到電話得知她獲勝時(shí)，她正在教學(xué)。“我演講的最后半個(gè)小時(shí)非常困難”她在頒獎(jiǎng)后的新聞發(fā)布會(huì)上說道。“如你所知，獲得這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)的女性并不多，所以它非常特別。”
諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席伊娃·奧爾森在發(fā)布會(huì)上表示：”產(chǎn)生阿秒光的能力在極小的時(shí)間尺度上打開了大門，也打開了通往電子世界的大門。”“早在1925 年，維爾納·海森堡就認(rèn)為這個(gè)世界是看不見的。感謝阿秒物理學(xué)，這種情況現(xiàn)在開始改變。”
意大利米蘭理工大學(xué)研究阿秒科學(xué)的電氣工程師莫羅·尼索利 (Mauro Nisoli) 表示，獲獎(jiǎng)?wù)叩倪x擇讓他“非常高興”。德國(guó)柏林馬克斯玻恩非線性光學(xué)和短脈沖光譜研究所的研究員 Marc Vrakking 補(bǔ)充道，獲獎(jiǎng)?wù)叨际?ldquo;當(dāng)之無愧的”。“他們一個(gè)接一個(gè)地為這個(gè)領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)。” 弗拉金和其他專家在西班牙巴塞羅那舉行的阿秒科學(xué)會(huì)議上獲悉了今天的消息。“從那一刻起，就沒有人能真正傾聽談話了。”
令弗拉金感到驚訝的是，委員會(huì)選擇只獎(jiǎng)勵(lì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。他說，如果沒有理論家的重大貢獻(xiàn)，這個(gè)領(lǐng)域“永遠(yuǎn)不可能發(fā)展成現(xiàn)在這樣”。
阿秒科學(xué)
移動(dòng)速度太快而無法拍攝的物體在拍照時(shí)會(huì)產(chǎn)生光帶圖像。但使用極快的頻閃燈照亮物體可以使它看起來像是被時(shí)間凍結(jié)了。阿秒光脈沖的工作原理相同，打開了一個(gè)曾經(jīng)被認(rèn)為不可能看到的現(xiàn)象世界。
原子科學(xué)的故事始于20世紀(jì)80年代末，當(dāng)時(shí)L'Huillier和她在一家研究所(后來成為巴黎薩克雷大學(xué)的一部分)的合作者正在研究電離氬。當(dāng)他們將氣體暴露在紅外激光下時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一系列更高頻率的光子，這意味著氬氣發(fā)射的單個(gè)粒子比觸發(fā)它們的激光中的粒子具有更高的能量。所有這些頻率都是激光的泛音——就像在鋼琴上重復(fù)相同的音符，但頻率更高。
L'Huillier和其他研究人員，包括當(dāng)時(shí)在渥太華加拿大國(guó)家研究委員會(huì)工作的物理學(xué)家Paul Corkum，很快就闡明了氣體如何產(chǎn)生這些“高次諧波”的物理原理。這導(dǎo)致了一種稱為重碰撞的現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)激光波撞擊原子時(shí)，波的電場(chǎng)會(huì)撕裂電子，留下正離子。但如果波的頻率正確，其快速振蕩的場(chǎng)將立即反轉(zhuǎn)方向，并在電子有時(shí)間去其他地方之前將電子推回離子。傳入的電子通常具有比最初電離原子所需的能量更多的能量，并且額外的能量以高頻光子的形式釋放。
意識(shí)到這些更高的頻率可以用來產(chǎn)生極短的脈沖，L'Huiller開始了一項(xiàng)提高高次諧波強(qiáng)度的計(jì)劃。2001年，巴黎薩克雷大學(xué)的 Pierre Agostini 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)率先成功將高次諧波轉(zhuǎn)化為阿秒級(jí)脈沖。至關(guān)重要的是，阿戈斯蒂尼開發(fā)了一種技術(shù)來測(cè)量脈沖持續(xù)時(shí)間并確認(rèn)它們處于阿秒狀態(tài)——這是以前從未有人做過的。
激光聚焦
最初，阿秒脈沖彼此太接近而沒有用處。為了利用它們來研究阿秒級(jí)的過程，研究人員需要隔離脈沖。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要從非常短的激光脈沖開始，最多幾千阿秒。20世紀(jì)90年代末，在Nisoli團(tuán)隊(duì)的貢獻(xiàn)下，Krausz開發(fā)了產(chǎn)生短孤立脈沖的技術(shù)。在2001年的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，克勞斯將他的激光與高次諧波發(fā)生器相結(jié)合，產(chǎn)生了僅持續(xù)650阿秒的脈沖，首次突破了1000阿秒的障礙。“他是早期唯一一個(gè)擁有激光技術(shù)的人，可以按照您理想的方式進(jìn)行阿秒科學(xué)，”弗拉金說。
在接下來的幾年里，克勞斯的團(tuán)隊(duì)和其他人利用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了一系列開創(chuàng)性的阿秒科學(xué)實(shí)驗(yàn)。研究人員測(cè)量了光電效應(yīng)的速度，即光將電子從原子上奪走。物理學(xué)家知道這是一個(gè)復(fù)雜的過程，并假設(shè)電子不會(huì)立即釋放，但在阿秒科學(xué)成為可能之前，沒有辦法測(cè)量其實(shí)際持續(xù)時(shí)間。
很快，這些技術(shù)不僅應(yīng)用于單個(gè)原子，還應(yīng)用于分子，甚至固體和液體。阿秒脈沖可以揭示分子失去電子并電離后立即發(fā)生的情況：剩余的電子開始重新排列，“早在原子核意識(shí)到發(fā)生任何事情之前”，尼索利說。研究人員現(xiàn)在正在努力將該技術(shù)擴(kuò)展到“原子化學(xué)”：他們計(jì)劃使用光脈沖以不會(huì)自發(fā)發(fā)生的方式引導(dǎo)鍵的形成和斷裂。
“這項(xiàng)研究的動(dòng)力非常根本——我們能否創(chuàng)造短脈沖以及我們能用它做什么？” L'Huillier在新聞發(fā)布會(huì)上說道。“我們需要時(shí)間才能開始看到在醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體行業(yè)和化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。”
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