什么是“阿秒脉冲雷射”？能捕捉到电子运动的脉冲雷射？
林俊杰《江南》：“相信爱一天，抵过永远，在这一剎那冻结了时间”
这一剎那持续了多久?这出自佛经的时间单位有多个解读，其中最短，可以对应的国际单位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢? 1 阿秒等于一百万兆分之一秒，是已经短到不行的飞秒的千分之一。在这段时间，别说是谈恋爱了，连世界上行动最快的光，也只能移动一颗原子直径的距离。
在阿秒的时间尺度里，连光都得停下脚步，过去我们认为捉摸不定的电子，也终于将在我们眼前现身。 2023 年的诺贝尔物理学奖，正是颁给了三位带领人类进入阿秒领域，探索全新世界的科学家。而这项技术，还可能让电脑的运算速度加快一万倍!
就让我们一起来进入阿秒的领域吧，领域展开!
什么是阿秒脉冲雷射?
今年诺贝尔物理学奖的三位得主分别是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ，表彰他们对阿秒脉冲雷射实验技术的贡献。
图/X
所谓的阿秒脉冲雷射，指的是持续时间仅有数十到数百阿秒的雷射。当我们能使用脉冲雷射来观察目标，就好比使用快门时间极短的相机对目标拍照，能捕捉到瞬间的画面。
2018 年的诺贝尔物理学奖，就颁给了极短脉冲雷射的研究。短短 5 年后，雷射领域再次得奖，但这次是更快的阿秒雷射，能捕捉到电子运动的超快脉冲雷射。
世界上没有东西能真正的触碰彼此?看见电子能带来什么突破?
为什么看见电子的运动那么重要呢?我们复习一下原子的基本构造，在原子核之外，带有微小负电荷的电子，被带正电的原子核束缚住。量子力学告诉我们电子没有确切的位置，而是以特定的机率分布在原子核周围的不同地方，也就是所谓的电子云。
图/YouTube
虽然电子的体积比原子核小很多，但电子云的范围，却占了原子体积的绝大部分。在物理或化学反应中，真正和其他原子产生交互作用的，几乎都是这些外面的电子。在电影《奥本海默》中，当男女主角手心贴着手心，奥本海默这时却说：“世界上没有东西能真正的触碰彼此，因为我们触摸到的物体，都只是其中原子的电子云和我们手上的电子云产生的斥力。”
图/screenrant
对了，这种话也只有奥本海默跟五条悟可以讲，一般人请不要随便乱牵别人的手。
除了和心仪的他牵手，不同的电子排列状态也会直接影响物质的化学活性、材料的导电导热等基本性质，各种化学和物理过程都和电子息息相关。从非常实际的层面来说，电子可以说是物质世界最重要的基本单位。所以不难想象，如果我们能看见电子，甚至获得可以操纵个别电子排列与能量的技术，我们能真正成为材料的创世神，许多不可能都将化为可能，是相当重大的突破。
捕捉电子运动有多困难?
但要操纵电子可不是什么简单的事，不只是因为电子非常小，更重要的是他们动得非常快。具体来说，电子在原子周围跳动的周期时间尺度大约是十的负十八次方秒，也就是一阿秒。一颗原子的大小约是十的负十次方米，速度等于距离除以周期，换算下来，电子云差不多是以光速等级的速度在原子核周围跳动。
图/wikipedia
如果要捕捉到阿秒尺度的电子运动，就必须将实验的时间解析度也提升到阿秒等级，否则就会像是用长曝光镜头拍摄亚运竞速滑冰比赛一样，只能拍到一团煳煳的影像，而没办法分出胜负。
可是，在 1980 年代，脉冲雷射最快只能达到十的负十五次方左右，还只有飞秒等级。而且光靠当时的技术和材料优化，已经没办法再缩短脉冲时间了，因此这时候，就要从原理上重新打造一套方法了。
如何制造更快的脉冲?
首先，要制造更快的脉冲并不是用频率更高的电磁波就好。你想，我们在拍照时，想要让曝光时间更短，要改善的不是把室内光源从可见光改成频率更高的紫外光，而是调快快门的开阖速度，让光一段一段进入感光元件中，变成影片一帧一帧的画面。而这一段一段进入像机的光讯号，就像是我们的脉冲。
不论是皮秒雷射、飞秒雷射还是阿秒雷射，一直以来在做的都是同一件事，在整体输出功率不变的情况下，让每一次脉冲的持续时间更短，同时单一次的功率也会更高。简单来说，就是要从无数次的普通攻击，变成每一次都是集气后再攻击。
但要怎么为光集气呢?光和其他波动一样，可以和其他波动叠加。把不同频率的光叠加在一起，波峰和波谷会抵消，波峰遇上波峰则会增强。只要用特定的比例组合许多不同频率的光，就可以在整体总能量不变的情况下，产生一个超级窄的波峰，其他地方全部抵销。
1987 年，本次诺贝尔奖得主之一的 Anne L’Huillier 教授发现，当红外线雷射穿过惰性气体时，气体会被激发放出整数倍频的光。也就是气体放出许多不同频率的光，而这些频率都是原本光源频率的整数倍，从两倍三倍到三十几倍以上的高倍频光都有。而横跨这么大频率范围的光，就能组合出时间长度很短的脉冲光。
不过这听起来未免也太好康了，真的有那么简单吗?
这个看似魔法的实验背后其实有着相当简洁的物理图像。电子原本是被电磁力束缚在原子中，当一道强度够强的雷射通过气体原子，原本抓住电子的电位能被雷射削弱。
虽然这道墙只是矮了一些可是还是存在，但此时，在电子的大小尺度下，量子力学发挥了作用。调皮的电子有机会透过量子穿隧现象，穿过这道束缚，暂时逃离原子核的掌控。关于量子穿隧效应的介绍，我们近期也会再做一集节目来专门介绍。
但电子还来不及逃远，雷射光已经从波谷翻到波峰。电磁波的波谷与波峰，不是指能量的高和低，而是指方向相反。因此在相反的电磁场方向下，不幸的电子被推回原子核附近，再度被原子核捕获。但在这欲擒故纵、七擒七纵的过程后，电子并非一无所获，他所得到的动能会以光的形式重新放出。
而因为这些能量最早都来自雷射，因此电子放出的光波长，也刚好会是雷射的整数倍。再说的细一些，你可以理解为这些电子在吸收一颗颗光子后，一口气释放这些能量，所以能量都是一开始光子的整数倍。
在 1990 年代，科学家已经掌握了这个现象背后的原理。但一直到千禧年过后。这次诺贝尔奖得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究团队才终于在适当的实验条件之下，利用高倍频光打造出了一连串宽度只有 250 阿秒的脉冲。同时第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法，分离出 650 阿秒的脉冲。
最后，获得阿秒脉冲这个秘密武器之后，我们的世界将迎来哪些变化呢?
阿秒脉冲在各领域的应用
其实啊，有在关注诺贝尔奖都知道，诺贝尔奖通常不会颁给时下正夯的新兴研究，前面讲的研究，实际上都已经是二十多年前的往事了，而这些辛苦的科学家会在这么多年后拿下诺贝尔奖的荣耀，正是因为阿秒雷射的发明经过了时间的考验，成为非常普及的实验技术，而且被大家公认为重要的科学贡献。
当然，今年生医奖的 mRNA 是个超快例外，有兴趣的话，别忘了点击下方影片，看看编剧都编不出来的 mRNA 研究历程。
说了那么多，阿秒雷射究竟对人类生活有什么帮助呢?当然，它能让我们更深刻了解物质还有光的本质，但是除了帮电子拍下美美的照片放在期刊的封面上，阿秒雷射可以用来做什么?
在过去这二十年，许多研究已经找到了相当有潜力的应用。
举例来说，在医疗方面，阿秒雷射可以用来分析血液或尿液样本。控制良好的超短脉冲可以精准的刺激生物样本中的各种有机分子，让这些分子震动并放出红外线讯号。如果使用的脉冲长度太长，分子释放的讯号就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起，造成量测的困难。唯有阿秒等级的超短脉冲能够实现这样的量测。
这些红外线光谱就像是质谱仪一样，能帮助我们快速分析血液中的蛋白质、脂质、核酸等重点物质的关键官能基状态。并透过机器学习的方式整合，成为个人化的健康状态报表，或是做为诊断的依据，将精准医疗提升到全新的层次。
图/attoworld
不只如此，发送超短脉冲的技术也可能革新当今的电脑运算。电脑运作的方式就是利用电晶体这种微小的开关，不断的开开关关去发送一跟零的讯号，所以开关电流的速度便决定了你的运算速度。以半导体为基础的电晶体，工作频率通常不超过上百 GHz ，在时间上也就是十的负十一次方秒。
自从阿秒雷射技术普及之后，就有科学家想到：既然雷射脉冲的速度更快，那不如就别用半导体了，改用光学脉冲来控制电流作为运算的媒介。这个概念叫做光学电晶体（Optical Transistor）。
今年初，亚利桑那大学的团队便发展示了如何利用小于十的负十五次方秒的超短雷射脉冲，来开关电流并传送一与零的位元，这个频率比现有半导体电晶体快了一万倍以上。这显示了光学方法的操作频率可以有多快，或许能让我们突破讯号处理和运算上的速度瓶颈。
图/science advances
看完这些便可以理解，阿秒等级的超快雷射脉冲的确是相当近代的一个科学里程碑。就像是科学革命时望远镜和显微镜的发明，让人们看见那些最远和最小的事物，超快脉冲用最快的时间解析度，让我们看到许多人类从未看过的景象。
阿秒脉冲雷射的出现，是科学上的一个里程碑，让我们能用更高的时间解析度，让我们看到许多过去从未看到的景象。最后也想问问大家，在雷射这一块，你最期待有哪些应用，或者最希望我们接着来讲哪个主题呢?
为什么医美、眼科手术那么喜欢用飞秒、阿秒雷射，真的有比较好吗?
使用雷射脉冲的光学电晶体真的有可能取代传统电晶体吗?
除了光学电晶体，最近很夯的硅光子技术，听说里面也有用到雷射，可以一起来介绍吗?
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