如今，對于微觀世界，空間分辨率已經(jīng)可以達到原子分子尺度，其對應的運動特征時間也達到了超快的飛秒（femtosecond，10^-15秒）量級，目前比較成熟的飛秒脈沖激光已經(jīng)能夠探測分子間運動，使其不再神秘。

但分子內(nèi)部的電子運動，其動力學過程發(fā)生在更快的阿秒（attosecond，10^-18秒）量級。

電子早在19世紀便由劍橋大學的約瑟夫·約翰·湯姆森在實驗中發(fā)現(xiàn)，距今百余年，由于運動速度過快，其運動過程仍無法直接探測，長期以來只能以電子云的概念來描述它在原子核外空間某處出現(xiàn)的幾率大小。電子云模型能夠很好地解釋化學鍵的形成與斷裂、原子吸收與發(fā)射光子的光譜以及原子的性質(zhì)等現(xiàn)象，并且符合量子力學原理，但在解釋很多微觀粒子運動規(guī)律時出現(xiàn)了障礙，需要發(fā)展更為準確的模型。

今年，諾貝爾物理學獎頒發(fā)給“阿秒激光”，其原由為促進了物質(zhì)中電子動力學的研究，阿秒激光的研制成功，首次將探索世界的時間尺度推進到阿秒量級，人類第一次可能擁有直接測量電子動力學行為的工具。

阿秒是什么概念？

阿秒僅僅為10^-18秒，如果說光從地球跑到月球的時間大約需要1秒，而在1阿秒時間內(nèi)，光只能傳輸0.3納米，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。

今年獲獎的三位科學家，美國科學家皮埃爾?阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），匈牙利科學家費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和法國科學家安妮?呂利耶（Anne L’Huillier）在實驗上為阿秒激光的產(chǎn)生做出了巨大貢獻。

女科學家安妮?呂利耶在博士期間就一直在研究多光子電離效應，并在1988年，30歲之前就發(fā)表了獲得諾貝爾獎的關鍵論文，發(fā)現(xiàn)了強激光照射惰性氣體產(chǎn)生高次諧波的現(xiàn)象，并獲得了高次諧波典型的頻譜結構，其譜寬已經(jīng)能夠支持阿秒量級的脈沖，為激光脈沖突破至阿秒提供了先決性條件。

在高次諧波發(fā)展十余年后，皮埃爾?阿戈斯蒂尼于2001年利用高次諧波并結合RABBIT技術（雙光子干涉的阿秒拍頻重構，reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions），實現(xiàn)了一系列脈沖間距為1.35 fs、脈沖寬度僅為250 as阿秒脈沖的產(chǎn)生與測量，稱為阿秒脈沖串。

而在同一年，費倫茨·克勞斯利用更短的飛秒驅(qū)動光來產(chǎn)生高次諧波連續(xù)譜，并利用阿秒條紋相機技術首次產(chǎn)生并測量了孤立的阿秒脈沖。

至此，阿秒激光時代正式來臨。

圖：高次諧波、阿秒脈沖串與阿秒脈沖之間的關系

諾貝爾獎只頒給了上述三位科學家，但仍有不少學者在初期做出貢獻。 

早在1987年，A. McPherson等人在實驗上測量了惰性氣體中的高次諧波，是最早公開發(fā)表高次諧波現(xiàn)象的論文。同年，M. Yu. Kuchiev等提出了“原子天線”的理論解釋，認為電子在母核附近往返振蕩發(fā)射諧波，其物理圖像類似于天線。

1992年，J. L. Krause，K. J. Schafer和K. C. Kulander提出了高次諧波過程的重碰撞圖像，稱之為simple-man模型，考慮電子在激光場中的經(jīng)典運動，并由此得出諧波的最高截止能量。

2022年獲得沃爾夫物理學獎的加拿大科學家Paul Corkum在1993年提出了半經(jīng)典的三步模型，在一個經(jīng)典的重碰撞圖像中，高次諧波過程分為以下三步：首先，電子隧穿離開由原子庫侖場和激光場共同形成的勢壘，隨后電子在激光場作用下加速并獲得能量。隨著激光場方向的改變，電子有一定機會返回母核并被俘獲，以高能光子的方式釋放出多余的能量產(chǎn)生諧波，三步模型很直觀地描述了高次諧波的產(chǎn)生過程，而Corkum也成為了本次諾貝爾物理學獎的最大遺珠。

對高次諧波過程的定量描述，則需要借助量子力學?；趶妶鼋频脑敿毩孔永碚撚?994年由M. Lewenstein等人給出，通常被稱作強場近似或者Lewenstein模型。實際上，強場近似的思想來自于早先對強激光場中原子和固體電離的研究，在1965年由L. Keldysh首次提出，隨后被F. H. M. Faisal和H. R. Reiss進行了拓展。直到今天，Keldysh參數(shù)都是阿秒領域研究人員非常熟悉的一個重要參數(shù)，用以判斷激光參數(shù)是否能夠達到阿秒脈沖產(chǎn)生的要求，不幸的是L. Keldysh已于2016年去世。Lewenstein模型完全從量子力學出發(fā)，得到了前述三個過程的對應理論描述，驗證并夯實了三步模型的理論基礎。至此，該模型被廣泛接受并得到了充分發(fā)展，成為產(chǎn)生阿秒脈沖的高次諧波過程的標準模型。

我國阿秒激光的研究總體起步較晚，一直處于追趕狀態(tài)，但近些年有顯著進展，相關研究也進入了國際先進水平。 

2013年，中國科學院物理研究所實現(xiàn)了160 as的孤立阿秒脈沖。此后，華中科技大學和國防科技大學在2020年相繼實現(xiàn)了272 as、88 as的孤立阿秒脈沖。

2019年，中國科學院西安光機所自主研制了高能量分辨阿秒條紋相機，產(chǎn)生和測量了159 as的孤立阿秒脈沖，并在2021年產(chǎn)生了更短的75 as孤立阿秒光脈沖，刷新了國內(nèi)的阿秒脈沖紀錄。

此外，國內(nèi)研究機構包括中國科學院上海光機所、中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院、北京大學、華東師范大學、吉林大學、南京理工大學、中國科學院近代物理研究所、西北師范大學等在阿秒激光理論以及應用方面都有重要成果報道。

當前，超快激光技術正朝著更高脈沖能量、更高平均功率、更窄脈沖寬度的目標發(fā)展。未來，激光脈沖寬度將從阿秒（as）縮短至仄秒（zs），光子能量將推進至硬X射線和伽馬射線波段。此外，阿秒激光能量太低，是限制其應用的最主要原因，在可預測的未來，超快激光領域再次獲諾貝爾獎將從高能量阿秒新機理、阿秒應用以及下一個量級的仄秒脈沖中產(chǎn)生。

2021年《Science》發(fā)布的“全世界最前沿的125個科學問題”中有十余個問題需要通過超快科學探索解決。例如，復雜激光場中的多體量子相互作用；超導機制--電子庫珀對的形成；太陽能電池的光轉換--電荷轉移激子解離過程；生物分子之間的電荷轉移過程；實現(xiàn)PHz開關，將現(xiàn)有的電路響應速度提高100000倍以上等，上述問題都直接與電子動力學相關。

阿秒脈沖將有望在多個科學和應用研究領域涌現(xiàn)出眾多原始創(chuàng)新。當前，國際上已經(jīng)開始阿秒激光設施的建設和競爭，由諾貝爾物理獎獲得者Gérard Mourou等人倡導，歐盟率先開展了歐洲極端光設施-阿秒光源（ELI-ALPS）的建設，并推動了歐洲相關激光公司的技術跨代升級。