如今，對于微觀世界，空間分辨率已經(jīng)可以達(dá)到原子分子尺度，其對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)特征時(shí)間也達(dá)到了超快的飛秒（femtosecond，10^-15秒）量級，目前比較成熟的飛秒脈沖激光已經(jīng)能夠探測分子間運(yùn)動(dòng)，使其不再神秘。

但分子內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)力學(xué)過程發(fā)生在更快的阿秒（attosecond，10^-18秒）量級。

電子早在19世紀(jì)便由劍橋大學(xué)的約瑟夫·約翰·湯姆森在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，距今百余年，由于運(yùn)動(dòng)速度過快，其運(yùn)動(dòng)過程仍無法直接探測，長期以來只能以電子云的概念來描述它在原子核外空間某處出現(xiàn)的幾率大小。電子云模型能夠很好地解釋化學(xué)鍵的形成與斷裂、原子吸收與發(fā)射光子的光譜以及原子的性質(zhì)等現(xiàn)象，并且符合量子力學(xué)原理，但在解釋很多微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)出現(xiàn)了障礙，需要發(fā)展更為準(zhǔn)確的模型。

今年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給“阿秒激光”，其原由為促進(jìn)了物質(zhì)中電子動(dòng)力學(xué)的研究，阿秒激光的研制成功，首次將探索世界的時(shí)間尺度推進(jìn)到阿秒量級，人類第一次可能擁有直接測量電子動(dòng)力學(xué)行為的工具。

阿秒是什么概念？

阿秒僅僅為10^-18秒，如果說光從地球跑到月球的時(shí)間大約需要1秒，而在1阿秒時(shí)間內(nèi)，光只能傳輸0.3納米，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。

今年獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，美國科學(xué)家皮埃爾?阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），匈牙利科學(xué)家費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和法國科學(xué)家安妮?呂利耶（Anne L’Huillier）在實(shí)驗(yàn)上為阿秒激光的產(chǎn)生做出了巨大貢獻(xiàn)。

女科學(xué)家安妮?呂利耶在博士期間就一直在研究多光子電離效應(yīng)，并在1988年，30歲之前就發(fā)表了獲得諾貝爾獎(jiǎng)的關(guān)鍵論文，發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)激光照射惰性氣體產(chǎn)生高次諧波的現(xiàn)象，并獲得了高次諧波典型的頻譜結(jié)構(gòu)，其譜寬已經(jīng)能夠支持阿秒量級的脈沖，為激光脈沖突破至阿秒提供了先決性條件。

在高次諧波發(fā)展十余年后，皮埃爾?阿戈斯蒂尼于2001年利用高次諧波并結(jié)合RABBIT技術(shù)（雙光子干涉的阿秒拍頻重構(gòu)，reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions），實(shí)現(xiàn)了一系列脈沖間距為1.35 fs、脈沖寬度僅為250 as阿秒脈沖的產(chǎn)生與測量，稱為阿秒脈沖串。

而在同一年，費(fèi)倫茨·克勞斯利用更短的飛秒驅(qū)動(dòng)光來產(chǎn)生高次諧波連續(xù)譜，并利用阿秒條紋相機(jī)技術(shù)首次產(chǎn)生并測量了孤立的阿秒脈沖。

至此，阿秒激光時(shí)代正式來臨。

圖：高次諧波、阿秒脈沖串與阿秒脈沖之間的關(guān)系

諾貝爾獎(jiǎng)只頒給了上述三位科學(xué)家，但仍有不少學(xué)者在初期做出貢獻(xiàn)。 

早在1987年，A. McPherson等人在實(shí)驗(yàn)上測量了惰性氣體中的高次諧波，是最早公開發(fā)表高次諧波現(xiàn)象的論文。同年，M. Yu. Kuchiev等提出了“原子天線”的理論解釋，認(rèn)為電子在母核附近往返振蕩發(fā)射諧波，其物理圖像類似于天線。

1992年，J. L. Krause，K. J. Schafer和K. C. Kulander提出了高次諧波過程的重碰撞圖像，稱之為simple-man模型，考慮電子在激光場中的經(jīng)典運(yùn)動(dòng)，并由此得出諧波的最高截止能量。

2022年獲得沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)的加拿大科學(xué)家Paul Corkum在1993年提出了半經(jīng)典的三步模型，在一個(gè)經(jīng)典的重碰撞圖像中，高次諧波過程分為以下三步：首先，電子隧穿離開由原子庫侖場和激光場共同形成的勢壘，隨后電子在激光場作用下加速并獲得能量。隨著激光場方向的改變，電子有一定機(jī)會(huì)返回母核并被俘獲，以高能光子的方式釋放出多余的能量產(chǎn)生諧波，三步模型很直觀地描述了高次諧波的產(chǎn)生過程，而Corkum也成為了本次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的最大遺珠。

對高次諧波過程的定量描述，則需要借助量子力學(xué)?；趶?qiáng)場近似的詳細(xì)量子理論于1994年由M. Lewenstein等人給出，通常被稱作強(qiáng)場近似或者Lewenstein模型。實(shí)際上，強(qiáng)場近似的思想來自于早先對強(qiáng)激光場中原子和固體電離的研究，在1965年由L. Keldysh首次提出，隨后被F. H. M. Faisal和H. R. Reiss進(jìn)行了拓展。直到今天，Keldysh參數(shù)都是阿秒領(lǐng)域研究人員非常熟悉的一個(gè)重要參數(shù)，用以判斷激光參數(shù)是否能夠達(dá)到阿秒脈沖產(chǎn)生的要求，不幸的是L. Keldysh已于2016年去世。Lewenstein模型完全從量子力學(xué)出發(fā)，得到了前述三個(gè)過程的對應(yīng)理論描述，驗(yàn)證并夯實(shí)了三步模型的理論基礎(chǔ)。至此，該模型被廣泛接受并得到了充分發(fā)展，成為產(chǎn)生阿秒脈沖的高次諧波過程的標(biāo)準(zhǔn)模型。

我國阿秒激光的研究總體起步較晚，一直處于追趕狀態(tài)，但近些年有顯著進(jìn)展，相關(guān)研究也進(jìn)入了國際先進(jìn)水平。 

2013年，中國科學(xué)院物理研究所實(shí)現(xiàn)了160 as的孤立阿秒脈沖。此后，華中科技大學(xué)和國防科技大學(xué)在2020年相繼實(shí)現(xiàn)了272 as、88 as的孤立阿秒脈沖。

2019年，中國科學(xué)院西安光機(jī)所自主研制了高能量分辨阿秒條紋相機(jī)，產(chǎn)生和測量了159 as的孤立阿秒脈沖，并在2021年產(chǎn)生了更短的75 as孤立阿秒光脈沖，刷新了國內(nèi)的阿秒脈沖紀(jì)錄。

此外，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)包括中國科學(xué)院上海光機(jī)所、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、北京大學(xué)、華東師范大學(xué)、吉林大學(xué)、南京理工大學(xué)、中國科學(xué)院近代物理研究所、西北師范大學(xué)等在阿秒激光理論以及應(yīng)用方面都有重要成果報(bào)道。

當(dāng)前，超快激光技術(shù)正朝著更高脈沖能量、更高平均功率、更窄脈沖寬度的目標(biāo)發(fā)展。未來，激光脈沖寬度將從阿秒（as）縮短至仄秒（zs），光子能量將推進(jìn)至硬X射線和伽馬射線波段。此外，阿秒激光能量太低，是限制其應(yīng)用的最主要原因，在可預(yù)測的未來，超快激光領(lǐng)域再次獲諾貝爾獎(jiǎng)將從高能量阿秒新機(jī)理、阿秒應(yīng)用以及下一個(gè)量級的仄秒脈沖中產(chǎn)生。

2021年《Science》發(fā)布的“全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問題”中有十余個(gè)問題需要通過超快科學(xué)探索解決。例如，復(fù)雜激光場中的多體量子相互作用；超導(dǎo)機(jī)制--電子庫珀對的形成；太陽能電池的光轉(zhuǎn)換--電荷轉(zhuǎn)移激子解離過程；生物分子之間的電荷轉(zhuǎn)移過程；實(shí)現(xiàn)PHz開關(guān)，將現(xiàn)有的電路響應(yīng)速度提高100000倍以上等，上述問題都直接與電子動(dòng)力學(xué)相關(guān)。

阿秒脈沖將有望在多個(gè)科學(xué)和應(yīng)用研究領(lǐng)域涌現(xiàn)出眾多原始創(chuàng)新。當(dāng)前，國際上已經(jīng)開始阿秒激光設(shè)施的建設(shè)和競爭，由諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者Gérard Mourou等人倡導(dǎo)，歐盟率先開展了歐洲極端光設(shè)施-阿秒光源（ELI-ALPS）的建設(shè)，并推動(dòng)了歐洲相關(guān)激光公司的技術(shù)跨代升級。