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專訪諾獎得主 Anne L'Huillier，探索她眼中的阿秒激光脈沖
2023年諾貝爾物理學獎頒發(fā)給 Anne L'Huillier 和她的兩位同事 Pierre Agostini 和Ferenc Krausz。就在近日，貝特霍爾德·萊賓格基金會(Berthold Leibinger Stiftung)授予了這位核物理學家 Berthold Leibinger 未來獎。在一次采訪中，剛剛獲得諾貝爾物理學獎的 Anne L'Huillier，向我們闡述了阿秒激光脈沖的研究歷程。
Q：L'Huillier教授，如果您在燒烤聚餐時，有人問你是做什么工作的，你會怎么回答?
L'Huillier：通常我會說，我主要從事激光物理學和原子物理學的研究工作。我們的團隊可以用非常非常短的激光脈沖來照明，從而可以拍攝移動速度極快的一些過程，例如那些涉及電子的運動過程。你可以理解為普通相機的閃光燈的作用。
Q：你說的 "非常非常短 "是指...？
L'Huillier：只有幾個阿秒長的激光脈沖。
Q：能簡要的描述一下阿秒嗎?
L'Huillier：其實這很難描述清楚。我覺得如果打個比方可能更容易理解一些：1阿秒對于1秒來說，就像1秒對于宇宙的總年齡(140億年)一樣。但我不太確定，這種描述對你理解阿秒是否真的有幫助。
Q：好吧，可能有一點幫助。
L'Huillier：我們總會習慣性的有這樣一種感覺：阿秒無法用人們可以理解的時間去感受。不過幸運的是，我們可以借助數(shù)學和科學理論的抽象方法以及實驗去驗證它，并由此得知：1阿秒=10-18秒。此外，比思考一個阿秒的長度更有趣的問題是，我們?yōu)槭裁聪氲玫竭@么小的時間尺度。
Q：所以，我們?yōu)槭裁葱枰⒚腴L度的脈沖呢?
L'Huillier：因為自然界中的某些過程如此之快，以至于我們只能借助阿秒光脈沖來測量它們，其中最重要的就是電子的運動。閃光越快，即光脈沖越短，我們就能更近距離地觀察到這個過程。現(xiàn)在，我的研究小組仍然以拍攝簡單的原子內(nèi)部和周圍的過程為主要研究內(nèi)容，因為這更容易實現(xiàn)。但是，如果我們能在這方面取得進一步的進展，我們就能觀察到更為復雜系統(tǒng)中的電子運動，例如分子中的電子運動。電子運動會引起化學反應(yīng)。總有一天，我們能夠測量到這些初始運動。
Q：然后呢？
L'Huillier：測量是實現(xiàn)控制的第一步。所以從長遠來看，我們最大的目標是能夠在電子水平上控制化學反應(yīng)。
Q：控制它，用來做什么呢？
L'Huillier：我很難預(yù)測能夠未來應(yīng)用到哪里或者改變什么，但這就是基礎(chǔ)研究。
Anne L'Huillier 教授在瑞典隆德的研究團隊使用飛秒激光器產(chǎn)生高次諧波光脈沖。然后利用這些脈沖產(chǎn)生阿秒激光脈沖，從而使原子過程可視化
Q：在1987年的一個實驗中，你發(fā)現(xiàn)了高次諧波，這是產(chǎn)生阿秒脈沖的先決條件。
L'Huillier：是的，那是一個令人愉快的巧合。當你發(fā)現(xiàn)一些讓你意想不到的事情的時候，這就是很棒的事情！這意味著有些事情等待你去解決。當時我們真正想做的是用強激光轟擊惰性氣體，并研究熒光效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這個過程中觀察到的最強的光并不是熒光，而是激光頻率的高次諧波，這個發(fā)現(xiàn)改變了我的科研生涯。有了高次諧波的產(chǎn)生，就有可能產(chǎn)生阿秒脈沖。這就是我現(xiàn)在仍在做的事情。
Q：有沒有可能至少在腦海中形成一幅高次諧波產(chǎn)生的畫面?
L'Huillier：是的！我有一個比阿秒和宇宙年齡更好的比較。如果你用一把弓穿過小提琴的琴弦，你不僅會得到純音(純音頻率)，還會得到其他頻率。在音樂中，這些頻率被稱為泛音，它們賦予了音色，泛音也被稱為諧波。在特定條件下，將氣體暴露在飛秒激光脈沖下，也會發(fā)生類似的情況，它創(chuàng)造了波長更短的新激光頻率。可以說，高次諧波就是激光物理中的泛音。
Q：高次諧波光脈沖能做什么呢？
L'Huillier：你可以用它們來產(chǎn)生阿秒脈沖，但它們本身也很有用。我們目前正在與一家半導體行業(yè)的光刻和計量設(shè)備制造商合作，利用高次諧波來檢測半導體微結(jié)構(gòu)。對于像我這樣從事基礎(chǔ)研究的人來說，這是一個非常具體化的項目。我很驚訝也很高興，我們的工作對社會有用。
Anne L'Huillier教授幫助建立了阿秒激光物理學。這項工作可能很快就會照亮電子的世界。
Q：您的研究對激光技術(shù)的發(fā)展是否也有推動作用？
L'Huillier：當然，在過去的幾十年里，我們在阿秒物理方面的研究工作不斷啟發(fā)激光制造商開發(fā)出新的、更好的超短脈沖激光器。當然，我們也受益于更好的光束源。初始激光源越好，高次諧波就越好，越能夠產(chǎn)生阿秒脈沖。對我們來說，這將帶來進一步的技術(shù)進步，例如 USP 激光技術(shù)領(lǐng)域新診斷和測量方法，換句話說，我們不斷激勵彼此。但除了這些令人愉快的側(cè)面影響之外，我的工作中還有一些對我來說非常重要的東西。
Q：還有什么對你來說是非常重要的？
L'Huillier：我是一名研究員，但也是一名教師。這意味著我可以教一群聰明的年輕人，看著他們成長，豐富閱歷，我認為這是我最大的貢獻。
Anne L'Huillier簡介
Anne L'Huillier（安妮•呂利耶），1958年生于巴黎，法國物理學家，現(xiàn)為隆德大學原子物理學教授。她是建立阿秒物理學研究領(lǐng)域的關(guān)鍵人物之一，獲得了無數(shù)獎項。今年早些時候，她獲得了 Berthold Leibinger 未來獎，以表彰她的研究成就，僅僅幾天后，她與 Pierre Agostini 和 Ferenc Krausz 一起被授予2023年諾貝爾物理學獎。