国家重大科技基础设施先进阿秒激光启动工程建设 将实现电子运动跟踪测量

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    新华社发

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    广东东莞阿秒科学中心实验室里，科研人员正处于紧张的设备调试状态。图片展示的是工作人员在对应用于先进阿秒激光设施的高性能激光器进行调试。此图片由新华社发布。

    新年开始，有好消息传来——国家重大科技基础设施先进阿秒激光正式开始进行工程建设。此项目包含两个部分，一部分在东莞，另一部分在西安。东莞部分由中国科学院物理研究所建设，西安部分由西安光学精密机械研究所建设。计划用大约 5 年的时间，建设一个以阿秒时间分辨能力作为主要特点的综合性超快电子动力学研究设施。这一设施的波长涵盖极紫外、软 X 射线以及太赫兹辐射等波段。它拥有 10 条超快光束线，还有 22 个研究终端。它能够实现对电子运动以及电子关联的跟踪测量和操控。通过这些，能够进而解释物质状态的演化规律。并且，它能为实现基础研究的重大突破提供有力的支撑。

    阿秒究竟是什么秒？

    1 秒的时间比较短。阿秒则更短。阿秒是人类到目前为止能够掌握的最短时间单位，1 阿秒仅仅是一百亿亿分之一秒（10-18 秒）。我们知晓，光速是人类已知的速度极限。在 1 秒的时间里，光能够穿越 30 万千米，这相当于绕地球赤道 7 圈半。而在 1 阿秒内，光只能传播 0.3 纳米的距离，大概和一两个硅原子的长度相近。

   

    在宏观世界中，我们难以想象在如此短的时间内会发生什么事情。然而在微观世界里，改变恰恰发生在 1 阿秒这个时间内。因为电子的运动可以用阿秒来进行测量，所以从学术角度来讲，电子运动的特征时间就是阿秒。

    我们在日常生活中会接触到诸多物理和化学现象。像固体中有电流这一现象，还有超导现象。芯片中会进行计算，光伏发电也存在。电灯会发光，水会结冰，电池会放电，液晶屏会显示，酒精能够杀死细菌等。这些现象的终极物理基础都是微观粒子的运动以及它们之间的相互作用。

    微观粒子存在大小的差别。在常见的微观粒子里，电子的质量是最小的。质子或者原子核的质量大约是电子的 1000 多倍。所以，在所有的物理过程中，电子的速度要比原子分子快很多。这就是电子运动和电子关联成为最基础、最核心物理过程的原因。

    特征时间在飞秒（等于 1000 阿秒）或更长时间尺度下的原子和分子运动，是在电子运动之后发生的，是电子运动的结果。目前我们所知，电子是物质中首先响应并推动其他微观粒子运动的因素。所以，若要真正透彻地了解这些物理现象，就必须研究电子的超快运动。

    研究可以用什么呢？方法有很多。其中最直接的就是那种能够“捕捉”电子运动的高速摄影机。我们清楚，在短跑、游泳这类体育运动里，高速摄像机是一个很厉害的工具。这种高速摄像机的时间分辨能力比人眼要强，它能够捕捉到人眼无法看到的每一个动作的细节，然后把这些细节拍成一帧帧的照片，接着再对这些照片进行有针对性的改进和提升。

    要给电子拍“纪录片”，就得研制与电子运动相匹配的设备。因为电子运动的特征时间在阿秒量级，所以必须使用阿秒激光才能观测其运动。可以说，阿秒激光将人类探索世界的时间分辨率推进到了阿秒尺度，它就像一台能够捕捉电子运动的“高速摄影机”，深入到了电子动力学分辨的层次，开启了超快科学的新时代。

    阿秒激光首次给人们提供了可直接测量电子动力学的工具，能够记录下电子运动的每一个轨迹帧，这为研究物理、化学、材料、信息、生物医学等学科中的重大科学问题提供了全新的技术手段，在基础研究和产业技术领域有望催生具有颠覆性、里程碑式的突破，所以建设先进阿秒激光设施具有重要的科学意义以及国家战略意义。

    阿秒激光是如何产生的？

    那么，阿秒激光为何如此之短呢？它和我们日常生活中见到的火光、灯光以及电脑屏幕发出的光都不一样。它与普通激光的产生方式也不同，阿秒激光源于电子的运动。这是因为电子运动速度极快，由其他运动或过程产生的光脉冲都无法与电子运动的时间尺度相匹配，最终只能依靠电子自身来测量自身。

    要讲清楚这个问题，首先来讲讲什么是光电效应。1905 年，爱因斯坦发表了他极为著名的研究成果之一，那就是光电效应，并且凭借此成果获得了 1921 年的诺贝尔物理学奖。在该理论当中，爱因斯坦把光描绘成一种粒子，叫做光子。当金属被光照射时，金属中的电子每次能够吸收一个光子，进而获得光子的能量。光子能量足够大时，这个电子能够逃离金属，从而造成光电效应。

    气体原子中存在类似情况。电子带负电，原子核带正电，二者相互吸引，使得电子只能在原子核附近活动。若电子想挣脱原子核的束缚飞走，就需吸收一定能量。在原子物理领域，此过程被称作“电离”。电离过程较为复杂，简单来讲，就是在强度较高的激光场里，电子有可能一次就吸收多个光子的能量进而发生电离。在电离实验里，激光强度不断提高。人们发现，观察到的光电子有可能具备很高的能量。这说明在电离过程中，电子吸收了很多个光子的能量。这种后来被称作“阈上电离”的现象，是 1979 年由物理学家皮埃尔·阿戈斯蒂尼所发现的。大约 10 年后，人们发现这些获得高能量的电子有可能回到原子核附近。这些电子还能把能量再次释放出来。释放出的能量形成了阿秒激光。

   

    这个过程实际上是较为复杂的，需要借助复杂的实验设备来进行精密的控制才能够达成。所以，在之后的十几年时间里，科学家一直都没有办法在实验中稳定地进行观测。

    21 世纪之后，国际上有多个研究小组在实验中对阿秒激光进行了测量。这些研究小组还逐步缩短了阿秒激光的脉冲宽度。2017 年，美国的研究组测量得到了 53 阿秒的阿秒激光脉冲宽度，瑞士的研究组测量得到了 43 阿秒的阿秒激光脉冲宽度，这是人类到目前为止测量到的最短的激光脉冲。2013 年中国科学家首次获得了 130 阿秒的激光脉冲。2024 年，国内的一个研究小组获得了 51 阿秒的激光脉冲，这一成果基本追平了国际上的前沿成果。

    先进阿秒激光设施有什么用？

    2023 年 10 月，诺贝尔物理学奖把奖项授予了皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·吕利耶。他们因在研究物质中电子动力学方面，研发出产生阿秒激光脉冲的实验方法而获得此奖。

    阿秒激光为何如此重要？阿秒激光不仅是时间尺度上的进步。它更能将人们研究物质微观运动的能力，从原子分子层面推进至原子内部。这样就能对电子运动进行直接探测，实现对其物理性质的理解，进而控制原子内电子的动力学行为。也就是说，我们最终能够操纵单个微观粒子。而这必然会引发基础物理研究的重大变革。

    我们能够用阿秒脉冲来跟踪化学反应里的电子，以此了解并操控反应的进程；能够仔细观察光电池和半导体芯片中的电子，以寻找更高效的太阳能电池和更快速度的芯片；能够度量超导体中的电子对，去寻找揭开超导秘密的钥匙；能够储存和操作量子计算机中的电子和光子。我们能够借助阿秒激光这一“镊子”，去对病毒或者蛋白质的结构和行为进行分析。同时，还可以利用它把药物放入生病的细胞中，这样就有希望治愈癌症等疑难杂症。

    如今，我国开始建设先进的阿秒激光设施。这是世界上第二个、亚洲第一个阿秒激光科研设施。该设施建成之后，其性能将会超越欧洲已经部分建成的极端光设施当中的阿秒脉冲光源装置。

    那么，阿秒激光设施是怎样实现的呢？需要光源和研究终端这两个部分。超快光束线是一种科研装置，它能提供脉冲式激光光源，其输出的激光脉冲持续时间非常短，所以被称作超快光源。研究终端则是能够放置样品，并且可以开展物理学、化学或生物学实验的测量设备。将束线输出的激光与其他部分相结合，把这束激光导入终端，通过这样的方式来开展超快光学实验研究，最终就形成了阿秒激光设施。

    先进阿秒激光设施是除自由电子激光装置、同步辐射装置之外很先进的新型光源，有望在国际水平上处于领先地位。它会成为建设地区的新名片之一，能提升区域科技的国际影响力，推动经济发展，凝聚全球高端科技力量，发挥科学设施的集聚效应，大幅提升源头创新能力，促进重大科技前沿问题的突破和重大成果的产出。先进的阿秒激光设施会在我国的基础前沿领域发挥巨大作用，会在高科技产业领域发挥巨大作用，会在国防科技等多个领域发挥巨大作用。它能推动多学科的原始创新，能推动重大应用。还能支撑我国在新一轮世界科技革命中抢占先机，助力社会经济实现跨越式发展，助力国家安全实现高质量发展。

    先进阿秒激光设施并非科学研究的终点。进一步而言，当人类去探索更短的时间尺度时，就需要借助某种更快的媒介来获得仄秒（千分之一阿秒）激光。这个媒介很有可能要在光与原子核、质子或中子的相互作用中去寻找，并且其自身的特征时间应该处于仄秒量级。随着科研的不断推进，我们坚信，超快光学终究会跨过仄秒的门槛！