“西安是國家實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的前沿陣地，是‘一帶一路’起點，全球首屆硬科技大會2017年在西安成功召開，硬科技已成為西安創(chuàng)新發(fā)展的亮麗名片。未來，我們有望建成的西安阿秒光源將與歐盟阿秒光源裝置遙相呼應(yīng)，形成全球頂尖的阿秒研究中心，在‘一帶一路’中發(fā)揮橋梁與輻射作用，共同引領(lǐng)阿秒科學(xué)發(fā)展。”西安光機所曾健華博士說到，近日，記者從中科院西安光機所獲悉，作為國家級的大科學(xué)裝置和多學(xué)科交叉的實驗平臺，我市有望建成大科學(xué)裝置——西安阿秒光源。
阿秒是人類能達到的最小時間分辨尺度
激光打孔、用作“手術(shù)刀”的飛秒激光近視手術(shù)……是我們可以接觸到的激光應(yīng)用。什么叫阿秒？這要從頭開始講起，原來，在日常攝影中，照相機的閃光燈能在1／1000秒內(nèi)“定格時間”——這個速度快到可以捕捉到棒球擊球手迅速揮臂擊球的動作，但對更快的變化過程就顯得無能為力，比如化學(xué)反應(yīng)過程、光合作用能量傳遞過程等，如果你的閃光燈太慢，就會漏掉這些轉(zhuǎn)瞬即逝的鏡頭。因此科學(xué)家們正努力鉆研，爭分奪秒地研制更細(xì)微更精確的“時間窗口”，用它來觀察物質(zhì)世界，這方面的研究被稱作超快過程研究。
曾健華介紹道，人眼的視覺暫留時間一般為0．1－0．4秒，當(dāng)變化過程短于0．1秒時，受眼睛時間分辨率的限制，我們就無法看清變化過程，比如要看清高速奔跑的駿馬四腳是否同時離地就需要毫秒時間分辨能力，這就需要高速攝影技術(shù)。影片中的高速攝影是使用高速攝像機把轉(zhuǎn)瞬即逝的快速變化過程記錄下來，并以慢動作放映，從而可以顯示肉眼看不見的瞬間動作。然而，光電子類高速相機的最大時間分辨能力僅為納秒（10－9秒）， 要想觀測超高速現(xiàn)象或超快過程，就需要更快的攝影技術(shù)，這有賴于快速探測手段和技術(shù)的革命性進步。
據(jù)介紹，上世紀(jì)60年代激光的發(fā)明推動了超高速攝影技術(shù)的誕生和發(fā)展。80年代末， 美國科學(xué)家Zewail率先利用當(dāng)時最先進的飛秒（10－15秒）激光脈沖去研究發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時化學(xué)鍵的斷裂和形成過程，并藉此榮膺1999年諾貝爾化學(xué)獎。2001年，奧地利科學(xué)家首次實現(xiàn)了阿秒光脈沖的產(chǎn)生，宣告超快科學(xué)進入了阿秒時代。
也就是說，2001年阿秒脈沖（1阿秒＝10－18秒）的實現(xiàn)，使人類歷史上得以首次深入原子結(jié)構(gòu)內(nèi)部觀測電子的運動，開創(chuàng)了原子尺度電子運動的新時代，引發(fā)了一場根本性、歷史性、顛覆性的科技革命——阿秒科學(xué)。
未來有望揭開癌癥早期診斷的世界難題
“通俗地說，我們這方面的研究屬于科學(xué)最前沿，確實是比硬科技還‘硬’。”曾健華笑著說。原來，阿秒技術(shù)為物理、化學(xué)、生物和材料科學(xué)超快過程的探究和高時空分辨率成像提供嶄新的手段，有望引發(fā)新的科技革命。
曾健華舉例說，比如阿秒技術(shù)的研究有望提升太陽能電池轉(zhuǎn)化效率，因為阿秒科學(xué)已經(jīng)深入到物質(zhì)微觀層面最本質(zhì)的電子運動規(guī)律，這樣的研究可以完全清楚相關(guān)材料的特性，從而有望實現(xiàn)最高效的太陽能電池材料。據(jù)了解，目前太陽能電池轉(zhuǎn)化效率較低，等到阿秒研究使得其獲得高轉(zhuǎn)化效率后，對我們的生活將會產(chǎn)生什么樣的影響？曾建華介紹，到時候這樣高效的能源有望取代我們目前在使用的很多能源，而街道上，太陽能汽車也有望成為主流。
一提到阿秒的未來應(yīng)用，揭示腫瘤病變機理是最受大眾關(guān)注的領(lǐng)域之一。曾健華表示，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，阿秒技術(shù)是生物活體精準(zhǔn)成像和癌癥早期診斷應(yīng)用中的獨特研究手段。癌變機制及早期診療一直是生物學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的世界性研究難題。這樣的研究需要獲得生物樣品“分子指紋”，揭示生物體中分子的工作機理，而在分子層面實現(xiàn)癌癥早期診斷。而進入電子運動研究水平的阿秒技術(shù)則為這樣的診斷效果注入了新的活力，這是因為阿秒脈沖的寬頻譜特性是活體生物樣本X射線顯微成像的最佳范圍，可實現(xiàn)活體生物組織的實時顯微成像和疾病診斷。
除此之外，阿秒研究也有望在可持續(xù)能源生產(chǎn)和儲存、新材料、環(huán)境科學(xué)與大氣修復(fù)、人類健康等多個方面具有深遠的意義。據(jù)美國權(quán)威機構(gòu)預(yù)測，2017年激光技術(shù)的全球市場達到110億美元，而到2022年將高達153．8億美元。
據(jù)介紹，在世界列強緊鑼密鼓地布局阿秒光源重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，我國抓住時機建設(shè)西安阿秒光源，對增強我國原始創(chuàng)新能力、實現(xiàn)重點領(lǐng)域跨越和長遠發(fā)展、實現(xiàn)從科技大國邁向科技強國的目標(biāo)具有重要意義。
將助力“大西安”國家中心城市發(fā)展
鑒于阿秒科學(xué)的前沿性、重要性和不可限量的應(yīng)用前景，阿秒科學(xué)自誕生起便成為前沿研究熱點。2010年《自然》 “展望2020”預(yù)測了激光領(lǐng)域的未來5 項重大突破，其中包括 “獲得阿秒脈沖跟蹤化學(xué)反應(yīng)中的極端超快電子運動”。美國、德國和日本都將阿秒技術(shù)列入本國的戰(zhàn)略優(yōu)先技術(shù)，目前多國政府與國際組織都在積極謀劃建設(shè)阿秒重大科技設(shè)施，正在建設(shè)的有歐洲極端光設(shè)施——阿秒光源和韓國浦項阿秒光源，美國、加拿大、日本等國也正在積極籌建大型阿秒光源。
我國在該方面的研究中，西安光機所是主要的開拓者和研究機構(gòu)之一，帶動了我國超快激光技術(shù)的長足發(fā)展和應(yīng)用，為國家培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的專業(yè)人才，在國內(nèi)外享有盛譽，創(chuàng)造了一系列世界紀(jì)錄：最近的紀(jì)錄是常增虎教授于2012年和2017年兩次創(chuàng)造了67和53阿秒最短脈寬世界紀(jì)錄。
據(jù)介紹，目前，西安阿秒光源建設(shè)已進入規(guī)劃論證階段，未來，借鑒歐洲極端阿秒裝置經(jīng)驗建設(shè)，建成后，西安阿秒光源將加速中國西部高端科研人才集聚，有力帶動西部地區(qū)的基礎(chǔ)科研發(fā)展，同時將引領(lǐng)材料科學(xué)和信息技術(shù)發(fā)展，加速產(chǎn)業(yè)升級和科技成果轉(zhuǎn)化，助力中國科學(xué)院西安綜合科學(xué)園建設(shè)和大西安國家中心城市發(fā)展。
“一旦建成阿秒光源，未來前景無限。”曾健華表示，阿秒科學(xué)正值發(fā)展的春天，基礎(chǔ)研究發(fā)展勢頭迅猛，應(yīng)用領(lǐng)域的研究和牽引作用不可限量。因此，加強阿秒相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究，可以顯著提升我國在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)等相關(guān)交叉學(xué)科及應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。
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