《名家专栏》激光物理系列丨解读阿秒超快光学的奥秘

《名家专栏》第一期：人物介绍

曾志男，上海光机所研究员，其团队长期从事高次谐波（HHG）和阿秒超快方面研究，参与建设上海超强超短激光装置（SULF）等，发表 SCI 论文 80 余篇，编撰专著《阿秒激光技术》，先后获得基金委“优秀青年基金”和国家科技创新领军人才的资助。

2023年，诺贝尔物理学奖被授予美国俄亥俄州立大学教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德国马克斯·普朗克量子光学研究所教授费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）、以及瑞典隆德大学教授安妮·吕利耶（Anne L'Huillier）这三位实验物理学家，以表彰他们开发了能够产生阿秒（10-18秒）光脉冲的实验方法，从而用于研究物质中的超快电子动力学。
时间的精确测量是实验科学的核心，将计时观测扩展到更短的时间尺度是实时观测微观现象的关键，这些微观现象包括从重要的生物过程到高科技背后的动力学。阿秒脉冲的根本用途即研究微观现象的电子超快动力学。在微观世界，生物、化学和物理的界限正在逐步消失，因为其根本都是来自电子运动，例如分子内的电子运动负责生物信息传递、改变化学产物以及生物系统功能，信息处理的速度则可以通过采用更小的纳米电路来提高等等。在能源领域，阿秒脉冲助力于探测新材料中的电子和空穴之间的电荷转移机制，推进超导体、半导体的研究，提升太阳能电池的效率，等等。阿秒计量学为原子、分子和固体中迄今为止难以测量的快速电子现象提供了途径，是测量技术的革命。在人类历史上，它第一次提供了超快电子运动的直接的时域观测。

阿秒脉冲产生示意图（来自网络）

孤立阿秒脉冲追踪电子
孤立阿秒脉冲的产生使得原子核外*快的运动——原子系统中的电子动力学——得以被捕获。如果我们想观测微观的原子分子，一个好的办法是用激光脉冲去照射微观的粒子，然后观测这些微观粒子的行为。原子系统中电子的运动速度实在太快了，绕原子核一圈通常只需要百阿秒量级的时间。这就要求科学人员在给原子"拍照"的时候需要使用超快的阿秒量级的"闪光灯"，这种"闪光灯"就是阿秒激光。
电场波形受控的少周期激光脉冲和它们产生的孤立阿秒脉冲构成了一种有效的泵浦-探测技术，既可以对光信号进行精确的阿秒计量，又可以实时探测在光信号上留下的各种电子过程信息。阿秒电子条纹相机记录条纹光谱图，可以测量亚飞秒激光波形和XUV阿秒脉冲。XUV阿秒脉冲用作触发，稳定的激光电场作为探针，可以提供对激发原子中多电子弛豫过程的实时观测，例如级联俄歇衰变和原子内电子关联等。

阿秒是人类目前可操控的*短脉冲，对标于电子运动的时间尺度（来源于网络）

凝聚态物质的阿秒物理学
早期固体中的第一个阿秒时间分辨研究是使用阿秒条纹相机对单晶钨进行的，发现产生自钨局域核心态的电子到达钨表面的时间比那些来自导带离域电子延迟了约 100 阿秒。对于单晶镁，来自核芯能级和价带态的光电子则同时到达表面，实验不确定度为 20阿秒。而且，阿秒XUV 脉冲激发的光电子能够直接探测等离子体（金）纳米局域电场振荡，为空间和时间上的超快纳米等离子体传播研究提供直接途径。这些新颖的阿秒技术可能有助于研究克服当代数字电子设备速度限制的方法，并探索基于电子的信号处理的终极极限。

表面等离子体的阿秒电子动力学（nature photonics, vol 1, September 2007, 539）

电子信号处理的前沿
当代数字电子产品的基本构建模块是金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。 尽管高速 MOSFET 的截止频率 fcutoff 大约在 100 GHz~1 THz 范围内，但处理器的*大速度已限制在 fprocessor ≈ 3 GHz 很多年。这种限制是由连接晶体管以形成处理器的互连线的充电时间 τcharging 造成的；另一个限制源于散热，这也主要发生在当代数字电子产品中晶体管对互连线充电和传输信号时。对于长 (~5 mm) 互连，每个开关周期在此过程中消耗的能量约为 Qswitch ≈ (1/2) Cinterconnect (ΔUgate )2 ≈ 1 fJ。处理器时钟速率由长互连决定，而每个晶体管每个开关的平均能量由典型 (~500 μm) 互连决定，并且要小一个数量级 (Qswitch ≈ 0.1 fJ)。 这给出了每个处理器功耗的上限 Pprocessor ≈ Nt fprocessor Qswitch ≈ 300 W，其中 Nt ≈ 109 是处理器中晶体管的数量。这对将当前的数字电子产品扩展到更高的时钟速率和晶体管数量构成了另一个严峻的挑战(Nature Photonics, vol 8, March 2014, 208)。
可逆强场效应在信号处理中的实用性在未来可能得到验证，其带宽在原始实验中约为 0.2 PHz（200GHz）。*近，能够测量光波形的固态太赫兹带宽示波器已成为现实。

芯片上的阿秒电子运动(Nature Photonics, vol 15, pages 456–460 (2021))

阿秒物理学：未来
受控光场和阿秒测量技术有助于推动未来数字电子产品的速度前沿。对电子运动的直接时域测量对于理解生命组成部分（即生物分子及其复合物）的内部运作也至关重要。这些知识涉及高度复杂系统中非常复杂的电子过程，将对生物技术和医学治疗产生影响。进一步，阿秒也将无法满足人类的需要。为探寻原子核的运动，科研人员必须进入渺秒（或10-21秒）领域。