2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、費(fèi)倫茨·克勞斯 (Ferenc Krausz) 和安妮·盧利爾 (Anne L’Huillier)，“以表彰他們?yōu)檠芯课镔|(zhì)中的電子動(dòng)力學(xué)而產(chǎn)生阿秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)方法”。

阿秒是時(shí)間單位。毫秒是千分之一秒，更小的單位是微秒、納秒、皮秒、飛秒、阿秒、仄秒等，其中1阿秒相當(dāng)于10?1?秒。阿秒是人類真正在實(shí)踐層面計(jì)時(shí)的最短時(shí)間單位，阿秒光脈沖是什么呢？阿秒光脈沖是一種持續(xù)時(shí)間極短的光脈沖，其寬度小于1飛秒（10 -15 秒）。在這么短的時(shí)間內(nèi)，光只能傳播0.3納米，也就是3個(gè)緊緊排在一起的氫原子的長(zhǎng)度。阿秒光脈沖具有極高的時(shí)間分辨率和空間分辨率，可以用來(lái)觀察和控制原子和分子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)。

阿秒光脈沖又是如何產(chǎn)生的呢？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要先了解另一個(gè)概念：高次諧波。高次諧波是指當(dāng)強(qiáng)激光照射原子或分子時(shí)，產(chǎn)生的頻率比激光頻率高很多倍的光波。高次諧波可以看作是原子或分子對(duì)強(qiáng)激光場(chǎng)的非線性響應(yīng)，其頻率通常是激光頻率的整數(shù)倍。高次諧波具有很多優(yōu)良的特性，例如寬帶、相干、單色、可調(diào)節(jié)等。

高次諧波產(chǎn)生的機(jī)制可以用一個(gè)三步模型來(lái)描述：

第一步：當(dāng)強(qiáng)激光場(chǎng)作用于原子或分子時(shí)，外層電子會(huì)被拉出原子核的束縛，形成自由電子。這個(gè)過(guò)程叫做隧穿電離。

第二步：自由電子在強(qiáng)激光場(chǎng)中加速運(yùn)動(dòng)，并獲得能量。這個(gè)過(guò)程叫做加速散射。

第三步：自由電子在強(qiáng)激光場(chǎng)中改變方向，并回到原來(lái)的原子或分子中。在這個(gè)過(guò)程中，電子會(huì)釋放出多余的能量，并形成一個(gè)高頻光子。這個(gè)過(guò)程叫做重組輻射。

通過(guò)這三步模型，我們可以看出，高次諧波產(chǎn)生過(guò)程中涉及了兩個(gè)關(guān)鍵因素：強(qiáng)激光場(chǎng)和自由電子。強(qiáng)激光場(chǎng)提供了足夠大的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)使電子隧穿電離子，并使電子加速和重組，從而產(chǎn)生高頻光子。自由電子則是高次諧波產(chǎn)生的載體，它的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度決定了高頻光子的頻率和相位。因此，如果能夠精確地控制強(qiáng)激光場(chǎng)和自由電子的相互作用，就能夠產(chǎn)生具有特定頻率和相位的高次諧波。

審核編輯：劉清