探尋電子世界的新工具

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中科院物理所 賀新奎

什麼是阿秒

阿秒是一個非常短的時間單位，1阿秒=10^-18秒。到底有多短呢？1秒中光傳播的距離可以繞地球7.5圈，而1阿秒中光只能從水分子的一端傳播到另一端。

圖1. 光在不同時間尺度下傳播的距離。

換個角度，如果將1阿秒與1秒相比，相當於將1秒與宇宙的年齡相比。

圖2. 從電子運動到宇宙年齡的時間示意。

為什麼需要阿秒激光脈衝

眾所周知，要用照相機捕捉運動中物體的姿態，必須用足夠快的快門速度，把曝光時間限制在一個極短的時間範圍內，在這個時間範圍，物體可以認為是不動的。因此運動越快的物體，需要的曝光時間越短，比如要拍攝運動中的高速跑車，需要毫秒量級的曝光時間；要拍攝核爆瞬間的景象，需要納秒量級的曝光時間。然而，比起這些宏觀運動，微觀粒子具有更快的運動速度；作為構成物質的基本單元，它們的運動狀態直接決定著物質的性質，因此研究它們的動力學行為非常重要。

圖3. 分子中不同的運動對應的時間尺度。

圖3是常見微觀粒子運動的時間尺度。分子轉動的時間尺度為皮秒量級，振動的時間尺度在飛秒量級。化學反應中，最後形成分子的兩個原子甚至常常需要納秒才能相遇。這些原子的運動行為由相關電子的運動狀態所決定，而電子運動的時間尺度常常在阿秒量級，比如基態氫原子中電子繞核運動一周需要150阿秒。現代超快激光技術的發展使得激光脈衝的持續時間在皮秒甚至飛秒的時間範圍，提供了前所未有的時間分辨能力，成為研究原子、分子運動行為的唯一工具，相關研究領域稱為超快科學。那麼要研究原子、分子、固體中電子的動力學行為就需要阿秒的時間解析度，這就需要阿秒激光脈衝。

阿秒激光脈衝的產生和測量

由於可見光的周期為1~3個飛秒，激光脈衝一般很難短於對應的光波周期，因此要產生阿秒脈衝，激光波長應處於極紫外及X射線波段。傳統的方法無法產生如此短的脈衝和波長。目前獲得阿秒脈衝需要通過飛秒激光與惰性氣體相互作用產生高次諧波這種極端非線性過程。將高能量的飛秒激光脈衝聚焦並與惰性氣體作用，當焦點上激光功率密度達到10^14 W/cm2，相互作用區域原子核外電子在線偏振激光場的作用下在原子核的兩邊振動。由於激光場太強（與原子核吸引電子的庫倫場差不多），電子振動的幅度可以遠大於原子的尺寸，或者說電子在振動中脫離了原子核的束縛，在強激光場中加速，當激光場反向電子再次回到原子核周圍時，將在此過程中吸收的成百上千的光子能量以新的光子釋放，回到起初的狀態。新釋放的光子能量達到激光光子能量的幾百到上千倍處於極紫外。這樣的過程每半個光波周期就發生一次，從而輻射過程短於半個光波周期（1飛秒左右），形成以半個光波周期為間隔的一串阿秒脈衝。

圖4. 阿秒脈衝產生的示意圖。

對微觀粒子超快過程的測量需要使用泵浦探測技術，先由泵浦激光脈衝與待測系統相互作用，激發起一個超快過程，再由探測激光脈衝通過一定延時與系統作用，通過測量不同延時下相互作用的最後產物就可以獲得整個超快過程的演化規律。上述高次諧波產生過程所獲得的是阿秒脈衝串，並不適合泵浦探測實驗。要獲得真正研究電子運動的工具，必須產生單個阿秒脈衝，這就需要將高次諧波的產生限制在極短的時間範圍內，從而只得到脈衝串中的一個。主要方法有振幅選通、偏振選通和電離選通等。

圖5. 高次諧波產生原理示意圖。

阿秒脈衝測量的主要方法為阿秒條紋相機法，這種方法以阿秒脈衝為泵浦光，以載波包絡相位鎖定的周期量級激光脈衝的電場振蕩為時間參考，通過周期量級的激光場加速阿秒脈衝電離的光電子，將電子波包的時間分布轉化為動能分布，通過精細測量光電子動能最終獲得阿秒脈衝的時間特性。這種方法不僅可以測量脈寬、啁啾等時間特性，還可以掃描出測量中所用周期量級激光場的波形曲線，實現了人類第一次在阿秒時間尺度上對光波波形的成像。同時此方法也可以在已知阿秒脈的情況下測量電子運動的時間特性。

阿秒激光脈衝研究的歷史和現狀

高次諧波產生髮現於1987年，然而直到2001年，法國的一個課題組才第一次測量到阿秒脈衝串的脈寬，也是在這一年，奧地利的Krausz教授帶領的小組通過振幅選通的方法測到了第一個單個阿秒脈衝。振幅選通的關鍵在於產生一個載波包絡相位穩定的，周期量級的高強度飛秒脈衝，對實驗技術提出了非常苛刻的要求，目前世界上只有為數不多的實驗室能夠完成。後來他們又用這種方法，通過3.3飛秒的脈衝驅動，產生了80阿秒的脈衝，成為世界上第一個獲得100阿秒以下脈衝的研究小組。偏振選通是利用了高次諧波產生的偏振依賴性——驅動光必須為線偏振光，構造出一個只在極短的時間內為線偏振的脈衝，其驅動的高次諧波只在極短的時間內產生。2006年，義大利科學家用這種方法產生了脈寬為130阿秒的脈衝。美國中佛羅里達大學的常增虎教授在偏振選通的基礎上發明了雙光學選通方法，通過驅動光中加入二倍頻使得阿秒脈衝串的脈衝時間間隔由半個周期增加到一個周期，從而使得驅動脈寬的限制放寬到10飛秒。他們利用這種方法，獲得了當時世界上最短的激光脈衝67阿秒。2017年在西安召開的國際阿秒物理會議上，該課題組與瑞士的科學家各自報道了新的世界紀錄——53阿秒。以上所有這些方法，對驅動脈衝的脈寬都有極為嚴苛的要求，同時都要求載波包絡相位穩定。目前能夠滿足這些要求的激光脈衝，在實驗上很難產生，只有少量實驗室擁有這樣的條件。

我國在飛秒激光技術及超快應用研究方面具有較好的研究基礎，在國家自然科學基金項目、國家「攀登計劃」項目及973等項目的持續支持下，已在飛秒激光脈衝的產生、放大、超快光譜及強場物理等研究方面建成了一批具有國際水平的實驗室，如中科院物理研究所、西安光機所、上海光機所、天津大學、北京大學、中山大學等，並取得了一系列重要結果。國內利用飛秒激光碟機動高次諧波產生的工作，始於上世紀90年代，在理論和實驗上都取得了很多成果。對於單個阿秒脈衝的產生和測量，由於苛刻的實驗要求，一直難以突破。中國科學院物理所多年來一直致力於超快飛秒激光的研究，建成了載波包絡相位穩定的5飛秒激光，並在此基礎上建成國內首條阿秒激光束線，於2013年實現了單個阿秒脈衝的產生和測量，得到160阿秒的脈衝，該阿秒裝置為我國阿秒科學在物質科學中的應用提供了很好的平台。

阿秒激光脈衝在電子動力學測量中的應用

阿秒脈衝作為電子動力學測量的工具，在原子、分子、表面以及固體內部電子動力學行為測量中具有重要應用。這方面的研究集中在對光電效應過程中處於不同能級或能帶的電子電離時間差的測量，測量結果在一定程度上挑戰了傳統物理學的認識。

光電效應即光致電離，是導致量子力學產生的重要物理過程之一。人們對它的理解常常局限於對能量的探究，而對其的時間屬性少有涉及，主要因為它太快而無法探測。量子力學認為單電子電離過程是即刻發生的，然而嚴格來說，這一過程並非單電子過程，它無法排除原子中其他電子的影響，所以電離過程發生的時間對應於從光子到達原子直到電子完成重新安排這一個時間段，當重新安排完成了，這一電子就認為被電離了，如圖6所示。

圖6. 電子發生光電離過程的不同量子路徑。

阿秒脈衝由於其非常寬的光譜以及XUV波段的光子能量，能夠同時使得原子不同能級電離，比如（圖6）電子分別從Ne的2s和2p能級電離。電子從不同能級電離，導致其他電子需要做出的安排不同，形成兩個不同電離通道。德國馬普量子光學研究所的科學家，利用阿秒脈衝測量了這個時間差，結果顯示2s和2p能級電子光電離所需要的時間差為20阿秒。把這種測量方法用於固體內部，同樣可以測量固體中不同能帶電子電離的時間差。對單晶鄔中的導帶和4f芯能級做同樣的測量，結果發現這兩個電離通道電離的時間差為100阿秒左右。進一步優化實驗條件，可以測量純凈的固體表面電子光電離的時間差。

阿秒激光脈衝在發展高速電子計算機中的應用

現代電子技術的基本單元是半導體晶體管。半導體因其導帶和價帶之間有一定的能量間隔但又不大，只需要較小的電場就可以控制電子在導帶和價帶間躍遷，從而控制材料中電子的運動，實現開關電路。然而同樣由於其能帶間隔較小，導致其響應時間較慢。理論上目前的半導體晶體管可以提供的最大響應速度為100 GHz（10^9 Hz），其頻率屬於微波波段，也稱為微波電子學。由於熱效應等其他原因，實際產品最大響應速度僅為3-5 GHz，這就是我們今天計算機CPU的最大處理頻率。要進一步提升計算機的速度，就需要應用能帶間隔更大的材料，這些材料通常是絕緣體，需要更強的電場才能驅動電子的運動，然而強的電場又會使絕緣體發生擊穿而損壞，這成為目前電子技術無法突破的瓶頸。

最近阿秒物理的一系列研究結果給這一瓶頸的突破帶來了希望。來自德國的科學家研究了超強激光與玻璃相互作用時電子的超快動力學，利用阿秒脈衝進行測量，發現強激光可以在玻璃中驅動產生瞬時電流，這一電流響應時間小於1飛秒，可以完全跟光波的振蕩同步，響應頻率可達PHz（10^15 Hz）。進一步研究發現，雖然光波場的強度很高，但由於驅動激光脈寬僅幾個飛秒，在如此短的時間內並不會造成材料擊穿，而且電流造成的影響可迅速復原。這一結果顯示利用光波驅動絕緣體中電子的運動，可以實現PHz的電子開關，將現有的電路響應速度提高10000倍，為新一代高速電子計算機的發展奠定基礎，電子學也將進入新的階段——光波電子學。最新研究成果顯示，光波在玻璃中驅動瞬態電流這一過程中，通過選擇合適的光場強度，能量損失基本可以忽略。說明如果利用這一過程製作集成電路，其發熱會遠遠小於當前電子產品，有利於電路的進一步集成和響應頻率的進一步提高。當然阿秒物理的這些研究成果只是為下一代高速電路的發展帶來了曙光，要實現這一夢想還有大量研究工作要做。

圖7. 玻璃中強激光碟機動電子阿秒動力學實驗示意圖。

阿秒激光在很多研究領域都有潛在的應用，比如探測生物大分子中電荷的轉移動力學有助於揭開很多生命現象的機理，解決相關的醫學問題；測量化學反應中化學鍵的形成過程有助於研究新物質的合成。總之，阿秒物理作為一門年輕的學科其研究才剛剛開始。

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