“弹簧”会发射激光，还能得诺贝尔奖？丨公众科学日最后一轮报名链接来啦！|光学|原子核|弹簧|玻璃|脉冲|谐波

获得2023年诺贝尔物理学奖的阿秒激光，究竟是何方神圣，它与“弹簧”之间，又有什么不为人知的故事？往下翻，让我们从零开始，走进阿秒激光！文末附物理所公众科学日报名链接，不要错过呦~

世界是一个巨大的……弹簧？

Harmonic Oscillator

世界上最完美的物理模型是什么？这个问题或许有很多答案，但若是比起简洁性与普适性，恐怕没有人是一根“弹簧”的对手——这根“弹簧”就是物理学中最常见的简谐振子模型。

物理学家竟是“弹簧”爱好者？

什么是简谐振子？简单来说，就是一根弹簧底下挂着一个小铁球。当你轻轻拉一下小铁球然后松手，它就会围绕着原来的位置上下弹跳。初中二年级学过（相信我，这次真的学过）的胡克定律告诉我们：

即弹簧的回复力大小与位移成正比。这个不起眼的性质，却藏着物理世界的底层代码——任何稳定平衡态附近的微扰（比如轻推谷底的小球），在最低阶近似下，都与一根弹簧无异！

遇事不决，简谐振子

简谐振子符合线性的胡克定律，运动规律极其完美，能写出极其漂亮的数学公式。于是，物理学家们开始“心里有弹簧，看什么都像弹簧”：看到钟摆，近似成弹簧；看到声带振动，近似成弹簧；看到原子……等等，原子也能当弹簧玩吗？

答案是：不仅能，而且还能玩出诺贝尔奖！

洛伦兹：原子内部也有弹簧？

Lorentz Model

光照在玻璃上会穿透，照在水面上会折射，照在金属上会反射，光与物质的相互作用究竟该如何解释？19世纪末，物理学家洛伦兹（没错，就是他搞出了相对论中著名的洛伦兹变换）又打起了弹簧的主意：万一原子核和电子，是由“弹簧”连接起来的呢？

《洛伦兹模型》出场人物

由此，他提出了把电偶极子处理为弹性振子的洛伦兹模型：原子核质量很大，就像一堵坚固的墙；电子质量极小，就像弹簧末端挂着的小球；而原子核对电子的电磁吸引力，就是那根无形的弹簧。光作为一种电磁波，照射到原子时，会像一阵风吹动小球一样，“吹”得电子左右摇摆（受迫振动）。

生活中常见的光（比如手电筒光、太阳光）强度比较弱，当它们照射原子时，电子只是在平衡位置附近轻微振荡，“弹簧”处于理想的线性状态。

洛伦兹模型中的原子长什么样？[参考资料2]

电子一边振荡，一边也会向外发射电磁波。进来什么颜色的光，电子就以什么频率振动，然后发射出同样颜色的光——这就是最简单的反射现象。

不同的物质内部，“弹簧”硬度不同，玻璃的“弹簧”很硬（对应紫外波段），和可见光共振很弱，因此可见光能够穿透玻璃，这解释了透射现象。此外，洛伦兹模型还可以很好地解释三棱镜为什么可以把日光分成彩虹色（色散现象）……

反射、折射、透射，传统光学（线性光学）的全部奥秘，竟都藏在这群“弹簧”的线性振动之中！

激光：别把我弹簧玩坏了！

Laser & Nonlinear Optics

故事讲到这里，一切岁月静好，直到1960年，休斯实验室一声巨响，给人类送来了有史以来最亮的人造光源——激光。

受到的拉力过大，弹簧就不再符合“拉力与位移成正比”的线性规律，原子“弹簧”也是如此。接受了激光的照射，电子振动的力量狂增、暴增、猛增，终于来到了非线性光学的领域！

光强足够大时，需要考虑二阶、三阶乃至高阶非线性极化率的影响[参考资料2]

此时，原子“弹簧”对光的响应是非线性的——直观地说，就是方程多了好多好多项！虽然方程变复杂了，但有趣的现象也多了不少：1961年，激光刚刚发明一年，Franken等人就成功激发了二次谐波——无中生有地产生了振动频率翻倍的出射光。二次谐波还远远不是极限，理论上，用更强的激光，甚至可以打出频率为入射光百倍以上的高次谐波！

到了1980年代末，法国女物理学家安妮·吕利耶（2023年诺贝尔物理学奖得主之一）在实验室里用强激光轰击惰性气体，成功产生了频率极高、能量极大的极紫外高次谐波。

但同时，她还发现了一个诡异的现象：根据非线性光学理论，谐波次数越高，强度应该越弱，但为什么几十次、上百次的高次谐波，亮度几乎是一样的？

高次谐波强度随频率（次数）的变化，看到红色的平台区了吗？[参考资料3]

高次谐波：拉断弹簧有奖励！

HHG

1993年，物理学家保罗·科克姆给出了答案：那当然是因为——弹簧都被你拉断啦！为解释高次谐波产生（HHG），他提出了半经典的三步模型（Three-Step Model）：

高次谐波产生（HHG）的半经典三步模型[参考资料3]

第一步是电离（Tunnel Ionization）：极高强度的激光之于电子，就像十八级台风之于树苗，狂暴的电磁场直接把束缚电子的“弹簧”拉断，让电子挣脱原子核的束缚，重获自由。

第二步是加速（Acceleration）：自由电子被激光的强电场裹挟着，像坐过山车一样在真空中疯狂加速，积累了巨大的能量。

第三步是复合（Recombination）：激光的电场是周期性变化的。电场方向一换，电子又被强行推回了原子核。能量巨大的电子狠狠砸向原子核，重新被束缚。而它在外面积累的巨大能量无处安放，只能在撞击的瞬间，以一个极高能量光子（高次谐波）的形式释放出来。

塞翁失马焉知非福，弹簧彻底断了，但我们却意外获得了一种制造极高频光波的绝妙方法！

阿秒脉冲：人类最快的照相机

Attosecond Pulses

费这么大劲搞出这些高次谐波，到底有什么用？当然是为了请出今天的主角——阿秒脉冲！阿秒是一个时间单位，1阿秒等于10-18秒，也就是十亿分之一秒的十亿分之一。这是一个短到人类大脑无法直观想象的时间，光在1秒内可以绕地球跑七圈半，但在1阿秒内，光连一个原子的直径都跑不完！

测量这么短的时间，普通的钟表可不行，唯一的办法是阿秒脉冲。物理学家发现，许多个频率不同但相位同步的光波（比如我们刚刚产生的高次谐波）叠加在一起时，它们会在绝大部分时间里互相抵消，只在极其微小的一个瞬间互相增强，形成一个极短的闪光——这道闪光，就是人类目前触及阿秒领域的唯一途径——阿秒脉冲。

2001年，皮埃尔·阿戈斯蒂尼和费伦茨·克劳斯成功在实验室里截获了这道极短的闪光——阿秒脉冲诞生了！从此人类掌握了宇宙中最快的闪光灯，这两位科学家也因此和前面的吕利耶一起分享了2023年诺贝尔物理学奖。

2023年诺贝尔物理学奖

大名鼎鼎的阿秒脉冲，有什么应用呢？答案是拍照——但不拍人，也不拍景，只拍电子的运动。

常拍照的人都知道，快门速度很重要：要拍清楚一个高速运动的物体，快门速度必须比物体的运动速度更快，否则拍出来就是一片模糊的残影。拍奔跑的猎豹，需要千分之一秒的快门（微秒级）；拍化学反应中分子的运动，需要千万亿分之一秒的快门（飞秒级）；而拍原子内部电子的运动，需要百亿亿分之一秒的快门（阿秒级）。

在阿秒脉冲诞生之前，物理学家看电子，就像用慢速快门拍高速飞行的子弹，满眼都是模糊的概率云。有了阿秒脉冲这个超级闪光灯，物理学家就仿佛练就了火眼金睛，总算可以看到朝思暮想的电子动力学过程了！

利用阿秒脉冲，科学家发现液态水发射光电子的速度比气态水慢了50-70阿秒[参考资料4]

有了阿秒脉冲，物理学家可以清晰地抓拍到电子在原子内部是如何运动的；可以亲眼看着光电效应发生时，电子到底花了多少阿秒才从材料里跑出来（100年来一直认为光电效应是瞬时发生的！）；可以观察药物分子在吸收光子后，内部电荷是如何在阿秒尺度转移的……

参考资料：

[1] Herbert Goldstein. (2001). Classical Mechanics (3th Edition). Pearson.

[2] Hecht, E. (2016). Optics (5th Edition). Pearson.

[3] Nobel Prize Outreach AB. (2023). Scientific Background: For experimental methods that generate attosecond pulses of light for the study of electron dynamics in matter.

[4] I. Jordan, M. Huppert, D. Rattenbacher, M. Peper, D. Jelovina, C. Perry, A. von

Conta, A. Schild and H.J. Wörner, Science 369, 974 (2020).

来物理所，看更多阿秒趣闻！

Welcome to IOP

阿秒脉冲让人类首次能够实时观察电子在原子、分子、液体和固体中的运动，从而把握物理、化学反应的底层原理。近年来，阿秒科学在分子物理、化学、凝聚态物理、生物医学等领域大放异彩，而我们中国科学院物理研究所，恰恰就是走在阿秒科学最前沿的科研机构之一！

先进阿秒激光设施效果图

对物理所来说，阿秒科学可谓是“专业对口”啦！2025年1月10日，国家重大科技基础设施“先进阿秒激光设施”在广东东莞正式开工建设！截至目前，项目已顺利完成主体结构封顶，预计2026年9月完成全部土建工作，2027年开始设备安装调试。本次开工建设的6条束线由物理所负责，建成后，它将成为世界第二个、亚洲首个先进阿秒激光设施。

该项目计划建设具有阿秒时间分辨能力和高度时空相干性特征的综合性超快电子动力学研究设施，从而实现对电子运动的跟踪、测量与操控，深入探索物质状态的演化规律，有望为我国在物质科学前沿基础研究领域实现重大突破提供关键技术保障。设施建成后，将为物理、化学、材料、信息、生物医学等多学科前沿基础研究和产业应用提供有力支撑。而先进阿秒激光设施，自然离不开对阿秒激光如数家珍的研究员！