作者：彭鵬，副教授;劉博聞，碩士研究生;高策，教授：山西大學(xué)科學(xué)技術(shù)史研究所，太原 030006。pengpeng@sxu.edu.cn 

2023年度諾貝爾物理學(xué)獎與化學(xué)獎分別授予阿秒激光與量子點這兩項微觀尺度上的技術(shù)，以肯定其在前沿微觀領(lǐng)域方向上做出的貢獻(xiàn)。雖然它們是兩個獨立的領(lǐng)域，但是都在探索微觀世界的極端尺度上發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，并在宏觀世界中影響我們的生活。

1959年，費曼(R. Feynman)在加州理工學(xué)院做了以“底部空間還很大” (There’s Plenty of Room at the Bottom)為題的演講：“當(dāng)我們進(jìn)入一個非常非常小的世界，我們將會發(fā)現(xiàn)很多新的東西，它們代表著全新的設(shè)計機(jī)會。在小尺度上，原子的行為與大尺度上的任何物體都不同，因為它們遵循量子力學(xué)的法則。所以，當(dāng)我們深入微觀世界擺弄原子的時候，我們可以期望通過不同的定律，用不同的方式做不同的事情?！笔艿疆?dāng)時技術(shù)的限制，人們還無法將費曼的量子力學(xué)構(gòu)想付諸實踐，但是隨著科技的演進(jìn)，構(gòu)想已經(jīng)成為現(xiàn)實，并且在很大程度上影響著宏觀世界的發(fā)展進(jìn)步。

自古以來，人類就對光十分推崇，并且從未停止對光的探索。隨著科技的發(fā)展，我們不僅更深刻地理解了光的本質(zhì)及其產(chǎn)生機(jī)制，還實現(xiàn)了對光的各種操控，更進(jìn)一步還可以利用光對原子、離子等微觀粒子進(jìn)行操控。2023年度諾貝爾物理學(xué)獎授予阿戈斯蒂尼(P. Agostini)、克勞斯(F. Krausz)和呂利耶(A. L’Huiller)，表彰他們將產(chǎn)生阿秒光脈沖的實驗方法用于研究物質(zhì)的電子動力學(xué)。阿秒激光是一種脈寬在阿秒尺度的超短脈沖激光，可清晰地捕捉到如分子振動、原子運動、質(zhì)子傳遞等超快過程，并可以瞬間達(dá)到超高的功率。2023年度諾貝爾化學(xué)獎授予巴旺迪(M. Bawendi)、布魯斯(L. Brus)和葉基莫夫(A. Yekimov)，表彰他們在發(fā)現(xiàn)和合成量子點方面所作出的貢獻(xiàn)。量子點是一種納米級半導(dǎo)體，可以通過改變它的尺寸大小來控制其精確發(fā)出滿足人們需要的五彩斑斕的光。阿秒脈沖激光和量子點代表了人類光學(xué)技術(shù)的新高度，同時二者的交匯融合為我們勾勒出世界的無限可能。

光的由來

1905年，愛因斯坦解釋了光電效應(yīng)：光是以單獨的不連續(xù)光量子組成的，單光子能量與光頻率成正比。原子內(nèi)部的電子吸收足夠的光子能量變?yōu)樽杂呻娮硬⑻右莩鑫矬w表面，使物體表面產(chǎn)生電流，這種電離過程即光電效應(yīng)。吸收單個光子能量而發(fā)生的電子電離，被稱為單光子電離;單個光子能量不足時，可通過增強(qiáng)入射光強(qiáng)度，使電子同時吸收多個光子，產(chǎn)生多光子電離。1913年，玻爾提出了原子模型，原子中的電子具有分立的能級，而當(dāng)電子從高能級躍遷至低能級時會以光的形式釋放能量。所以為了產(chǎn)生光，我們需要電子處于高能級，為了使處于低能級電子躍遷到高能級，不僅可以用光來激發(fā)，還可以通過電能來激發(fā)。

能級躍遷

不同運動的時間尺度

更進(jìn)一步，愛因斯坦1917年首次提出激光的產(chǎn)生原理：受激輻射。一般將處于激發(fā)態(tài)的高能態(tài)粒子受到能量為該原子兩級能量差的外來光照射向低能態(tài)躍遷并輻射光子的現(xiàn)象稱為受激輻射。若要成功產(chǎn)生激光，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是必不可少的前提，通常來說低能級的粒子多于高能級粒子，若要產(chǎn)生激光就需要外來光的激勵，使低能級粒子被激發(fā)至高能級，從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)高能級粒子向低能級躍遷時，會釋放一個與激勵光全同的光子，高能級粒子數(shù)多則可以實現(xiàn)光放大。1960年5月16日，梅曼(T. H. Maiman)成功研制出世界上第一臺紅寶石激光器，并發(fā)射出世界上第一道脈沖激光，脈寬為毫秒量級。上述理論的發(fā)展為2023年諾貝爾獎授獎成果奠定了堅實的基礎(chǔ)。

極短時間的阿秒激光

根據(jù)持續(xù)時間的不同，激光可分為連續(xù)激光與脈沖激光。連續(xù)激光是指激光器輸出的功率恒定(通常較低)的光束，由于其輸出功率在較長時間內(nèi)是穩(wěn)定的，通常用于激光手術(shù)、激光通信等方面。脈沖激光是指激光器每隔一段相同的時間發(fā)射出的光脈沖，由于其脈寬較短，通常用于研究極短的物理化學(xué)過程，比如飛秒物理和飛秒化學(xué)等。脈寬是脈沖激光的重要參數(shù)，更短的脈寬使研究粒子運動成為現(xiàn)實;同時還意味著峰值功率更高，可促進(jìn)非線性效應(yīng)的產(chǎn)生，因此，科學(xué)家致力于產(chǎn)生更短的脈沖激光。

隨著鎖模、調(diào)Q、啁啾脈沖放大等技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，科學(xué)家們可以產(chǎn)生飛秒級別的脈沖激光。1974年，伊彭(E. P. Ippen)等人發(fā)明腔外光柵對壓縮技術(shù)，首次產(chǎn)生飛秒激光脈沖。通過飛秒激光人們可以觀察到原子的運動，而想觀察電子運動，則需要通過更短的阿秒激光來實現(xiàn)。

阿秒激光，一般是由飛秒激光作用于高非線性介質(zhì)產(chǎn)生高次諧波來生成。高次諧波顧名思義就是原始激光頻率整數(shù)倍的諧波。當(dāng)飛秒激光穿過高非線性介質(zhì)時，光子會激發(fā)介質(zhì)中的電子而釋放新光子，產(chǎn)生高次諧波輻射，在這個過程中也會釋放阿秒激光。同時，高次諧波輻射與多光子電離之間有著重要聯(lián)系。1979年，阿戈斯蒂尼等人首次觀察到閾上電離現(xiàn)象，他觀察到在強(qiáng)激光場中，原子中的電子吸收了比產(chǎn)生電離所需光子數(shù)更多的光子而發(fā)生電離。

三步模型  （左圖）隧穿電離：在強(qiáng)場的作用下，被束縛的電子通過隧穿效應(yīng)變?yōu)樽杂呻娮?；（中圖）加速：電子在強(qiáng)場的作用下吸收動能而加速；（右圖）復(fù)合：部分自由電子在加速后與母離子復(fù)合碰撞，并產(chǎn)生高次諧波輻射。

阿戈斯蒂尼團(tuán)隊生成阿秒脈沖鏈

1987年，呂利耶等人完成了第一個產(chǎn)生高次諧波輻射的實驗，她的工作奠定了高次諧波輻射和阿秒激光的發(fā)展基礎(chǔ)。他們將Nd:YAG激光器產(chǎn)生的紅外激光放大聚焦在氣體靶上，并將激光脈沖照射到密度最高的氣體處，使氣體電離并產(chǎn)生高次諧波輻射。

1993年，科克姆(P. Corkum)等人在克爾德什(L. Keldysh)電離理論的基礎(chǔ)上提出了半經(jīng)典三步模型，對呂利耶的實驗進(jìn)行了理論解釋。

在前人的基礎(chǔ)上，2001年，阿戈斯蒂尼等人首次生成了阿秒脈沖。他們使用強(qiáng)鈦藍(lán)寶石激光束照射在氬氣射流中產(chǎn)生高次諧波輻射，首次產(chǎn)生了脈寬250阿秒的阿秒脈沖鏈。實驗結(jié)果證實了產(chǎn)生高次諧波輻射過程中阿秒脈沖的存在，并展示了操縱和控制諧波相位的潛力。

克勞斯團(tuán)隊產(chǎn)生孤立阿秒激光脈沖

同年，克勞斯團(tuán)隊首次制備并成功使用孤立阿秒激光脈沖觀測原子中電子的運動。他們將通過濾波片的兩個光脈沖聚焦在氪氣目標(biāo)上產(chǎn)生高次諧波輻射，產(chǎn)生了脈寬650±150阿秒的脈沖，高次諧波的產(chǎn)生局限在一個激光周期內(nèi)表明生成了孤立脈沖，他們并借此觀察了電子運動過程。

2017年，沃納(H. J. W?rner)團(tuán)隊在實驗室中實現(xiàn)了當(dāng)前世界上最快的43阿秒的阿秒脈沖激光。或許在不久的將來我們可以將時間尺度推進(jìn)到仄秒(10^-21秒)量級，但是由于不確定性原理的限制，激光的脈寬越短則會導(dǎo)致其頻譜越寬。

極小尺度的量子點

阿秒激光的發(fā)展體現(xiàn)了人類對激光脈寬的極限操控，而量子點的發(fā)展則代表了人類對納米極限尺度的操控。量子點是一種直徑只有2~10納米的半導(dǎo)體顆粒，其對于足球的比例就相當(dāng)于足球?qū)τ诘厍虻谋壤?。量子點具有分立的量子化能譜，并且可以通過調(diào)整量子點的大小而改變其能譜，從而精確控制其發(fā)光的顏色，并且光譜極窄?；诹孔狱c優(yōu)異的光學(xué)性能，量子點在顯示領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，比如量子點電視。

1981年，葉基莫夫通過合成并研究硒化鎘納米顆粒的光學(xué)性質(zhì)，首次發(fā)現(xiàn)并提出了量子點 。他首先通過化學(xué)溶液合成法制備出硒化鎘納米顆粒，隨后進(jìn)行了光譜研究，他發(fā)現(xiàn)硒化鎘納米顆粒材料呈現(xiàn)出離散的光譜特性，與同種大尺寸材料的能級結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)完全不同，這是量子效應(yīng)的典型特征。他認(rèn)識到這些納米顆粒的大小處于納米尺度，導(dǎo)致電子受到空間限制，能級量子化，因此表現(xiàn)出量子化的光學(xué)性質(zhì)。

1983年，貝爾實驗室的布魯斯首次證明流體中自由漂浮粒子存在尺寸依賴這一量子效應(yīng)。布魯斯發(fā)現(xiàn)改變硫化鎘的尺寸會導(dǎo)致其光學(xué)特性的變化，同時通過測定硫化鎘對于不同波長激光的吸收強(qiáng)度及其輻射光譜，推斷出了硫化鎘的帶隙能級信息，證明了其尺寸依賴效應(yīng)。

量子點不同大小下的發(fā)光情況

1993年，麻省理工學(xué)院巴旺迪團(tuán)隊使用硫化鎘、硒化鎘和碲化鎘等材料，通過精確控制反應(yīng)條件，第一次成功合成了大小均衡的量子點，并通過核磁共振、電子顯微鏡、吸收光譜和熒光光譜等技術(shù)確定了量子點的尺寸、形狀和光學(xué)性質(zhì)。這意味著在有機(jī)溶液中合成大小均衡的量子點成為可能，為量子點的應(yīng)用提供了更高的性能和可控性。

交匯與展望

往前追溯到普朗克提出黑體輻射、玻爾提出玻爾模型，以及愛因斯坦解釋光電效應(yīng)的年代，受到條件的限制，當(dāng)時提出的部分概念只是理論推斷，無法直接進(jìn)行觀測。而如今的阿秒激光、量子點等技術(shù)以及多種技術(shù)的結(jié)合可作為高精確度和高靈敏度的工具，用于揭示微觀粒子的關(guān)鍵特性。

雖然阿秒激光與量子點處于兩個不同領(lǐng)域，但它們都涉及光和電子在超快時間、極端微觀尺度內(nèi)的運動，所以時有交匯。不同學(xué)科、不同領(lǐng)域之間的交叉往往會摩擦出新的火花，為傳統(tǒng)研究領(lǐng)域帶來新的技術(shù)支撐、研究方法和突破可能。

在生物醫(yī)學(xué)中，阿秒激光與量子點可以發(fā)揮關(guān)鍵的作用。不同大小的納米晶體可以發(fā)出不同顏色的較穩(wěn)定的光，可以通過量子點做熒光探針來代替目前的熒光染料。根據(jù)不同的需要選用不同的量子點與細(xì)胞相結(jié)合，當(dāng)受到激光激發(fā)后，量子點會發(fā)出顏色不同且熒光強(qiáng)度足以使光學(xué)設(shè)備檢測到的光，這樣可以實現(xiàn)對細(xì)胞內(nèi)部分子的檢測與觀察，有助于癌癥、神經(jīng)科學(xué)和藥物篩選等領(lǐng)域的進(jìn)一步研究與探索?；诖?，量子點結(jié)合生物分子可以用于生物傳感器的制備。阿秒激光的精確控制能力有助于提高傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確性，用于檢測生物分子、疾病標(biāo)志物等。在醫(yī)學(xué)中可以通過將藥物載體與量子點結(jié)合，利用阿秒激光控制對藥物的精準(zhǔn)釋放，來設(shè)計更有效的藥物遞送系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可能有助于提高藥物的靶向性和釋放速度，減少藥物的副作用。同時，阿秒激光與量子點化學(xué)的結(jié)合有望提高細(xì)胞治療和組織工程領(lǐng)域的效率，可能有助于修復(fù)組織、促進(jìn)細(xì)胞生長和再生。但這些潛在應(yīng)用還處于研究階段，需要進(jìn)一步的實驗和臨床驗證，以確定其在生物醫(yī)學(xué)中的真實應(yīng)用價值和潛力。

在材料學(xué)領(lǐng)域，隨著二者的不斷交融，材料尺寸減小、反應(yīng)時間縮短，一系列的物理現(xiàn)象隨之顯現(xiàn)出來，這其中包括統(tǒng)計力學(xué)效應(yīng)和量子力學(xué)效應(yīng)。同宏觀系統(tǒng)相比，許多材料的物理性質(zhì)在微觀尺度時會發(fā)生完全不同地改變。例如向納米硅晶體中引入雜質(zhì)(通常是其他元素)，可以改變其電子能帶結(jié)構(gòu)，使之從絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體，這個過程稱為摻雜。納米硅晶體也可以通過光激發(fā)法變成導(dǎo)體，當(dāng)硅中的電子吸收光子能量時，電子會被激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生導(dǎo)電性，這個過程通常應(yīng)用于太陽能電池。在上述實驗過程中可以用阿秒激光脈沖作為“高速攝像機(jī)”，從而清楚了解到納米硅晶體從絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體的電子運動過程。

在光電器件中，取決于不同的研究問題，我們可以選用固態(tài)、溶液中的或者集成在納米結(jié)構(gòu)中的不同量子點實驗品，將其放入能夠與阿秒激光相互作用的實驗裝置中，激發(fā)量子點內(nèi)的電子。量子點中的電子吸收能量變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，隨著時間的推移，激發(fā)態(tài)電子又會回落到基態(tài)或其他低能級態(tài)。該過程中量子點可能會發(fā)出可見光或近紅外光導(dǎo)致顏色的變化，這個變色效應(yīng)可以通過調(diào)整激光的參數(shù)，如脈沖強(qiáng)度、頻率和持續(xù)時間來控制，進(jìn)而用于光學(xué)器件、傳感器和顯示技術(shù)的制備。此時通過使用適當(dāng)?shù)墓庾V儀器，測量樣品中光電子的動能和角度可以得到光電子能譜的信息，之后分析相關(guān)光電子能譜數(shù)據(jù)，可以得出有關(guān)量子點的電子結(jié)構(gòu)、載流子動力學(xué)和電子激發(fā)態(tài)的信息，相應(yīng)研究結(jié)果可以用于改進(jìn)量子點材料的性能，實現(xiàn)對不同區(qū)域的染色與研究。

在激光領(lǐng)域，也常常涉及量子點本身獨特的性質(zhì)。在強(qiáng)激光場下，量子點的非均勻性和表面效應(yīng)可以增強(qiáng)其本身的非線性光學(xué)性質(zhì)，例如倍頻效應(yīng)：當(dāng)一個光波傳播經(jīng)過非線性光學(xué)材料時，該材料能夠?qū)⑷肷涞膯我活l率的光波分裂成兩個具有不同頻率的新光波。這個過程中，一個光子分裂成兩個光子，一個具有原來的光波頻率，另一個具有原波的兩倍頻率。該性質(zhì)可用于產(chǎn)生高次諧波，可以進(jìn)一步擴(kuò)展光源的頻率范圍，有助于研究光子與物質(zhì)的相互作用。小尺寸和高效率的特性使它們成為能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的重要材料，由于量子點的尺寸與波長之間的對應(yīng)關(guān)系，我們可以通過改變其尺寸來控制發(fā)光的波長，用于制造光探測器、光伏電池和光電二極管等光電子學(xué)設(shè)備。

阿秒激光與量子點也有助于量子信息科技領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。高效穩(wěn)定的單光子源是量子計算與量子通信的重要組成部分，自組裝量子點具有極好的單光子性與光子全同性，可作為理想單光子源使用。此外，量子點也可以通過阿秒激光脈沖照射來精確產(chǎn)生糾纏光子對， 用作糾纏光源。量子點不僅具有高度的可控性，可以通過調(diào)控電壓控制其電子自旋，而且還具有較長的相干時間，這使得其成為了量子比特的理想載體。一個量子點具有一個基態(tài)和多個激發(fā)態(tài)，通過阿秒激光操控激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)量子門操作。在量子通信中，阿秒激光超短脈沖和高能量的特性使其成為制備量子比特和進(jìn)行量子操作的理想光源，進(jìn)而提升量子信息在不同節(jié)點之間的傳輸效率，推動建立更高效的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

綜上，阿秒激光和量子點有很多重要交叉點，它們共同為我們提供了深入了解分子、原子和納米材料性質(zhì)和行為的能力，并將深刻地改變我們的生活。這種跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的合作有助于推動不同領(lǐng)域的創(chuàng)新，同時交叉領(lǐng)域的前沿研究有望推動科學(xué)、技術(shù)和工程的發(fā)展，為新材料、新器件和新應(yīng)用的產(chǎn)生提供有力支撐，有助于解決許多復(fù)雜的科學(xué)問題，從而進(jìn)一步推動宏觀世界科技的發(fā)展進(jìn)步。

世界之大，遠(yuǎn)超過我們的眼界可以容納的范圍，然而，“大”是由最微小的細(xì)節(jié)掌控的，2012—2023年這12年間，作為全球自然科學(xué)類的最高獎項，諾貝爾物理學(xué)獎與化學(xué)獎大部分被授予在微觀領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行偉大探究的科學(xué)家。細(xì)究獲獎成果我們不難得出，評選諾貝爾獎的目光已從具有跨時代意義的先進(jìn)理論轉(zhuǎn)移至可以促進(jìn)社會進(jìn)步的前沿科技上來，并呈現(xiàn)出一種微觀層面的科學(xué)逐漸技術(shù)化、產(chǎn)業(yè)化的趨勢。人類宏觀世界的科技進(jìn)步往往受到物理或化學(xué)微觀層面上跨越的深刻影響，比如半導(dǎo)體芯片與石墨烯材料。這些微觀層面上的創(chuàng)新對人類的生產(chǎn)生活起到關(guān)鍵作用。

大自然本來沒有學(xué)科，學(xué)科是人類研究自然的結(jié)果。人類早期社會把所有的科學(xué)知識都?xì)w于哲學(xué)，隨著生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，科學(xué)逐漸從哲學(xué)中分化出來，并且學(xué)科分類日益細(xì)化。然而，當(dāng)今隨著人們需要解決的科研問題日益復(fù)雜，跨學(xué)科交叉融合成為科學(xué)發(fā)展的大趨勢。阿秒激光與量子點的發(fā)展和應(yīng)用體現(xiàn)了學(xué)科融合的意義與價值?；A(chǔ)科學(xué)的長足發(fā)展促使技術(shù)產(chǎn)生了極大的進(jìn)步，整體呈現(xiàn)出一種交融的形勢，這不僅有助于促進(jìn)不同方向上思維和方法的交叉應(yīng)用，同時，不同領(lǐng)域的專業(yè)知識相互滲透，不同領(lǐng)域?qū)＜抑g的合作交流還可以拓展面對重大問題時的視角。隨著科技不斷更新迭代，跨學(xué)科交叉融合也將逐漸成為各國關(guān)注的重點研究方向、創(chuàng)新發(fā)展的推動力和前沿科技進(jìn)步的源泉。

本文相關(guān)研究得到自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(11904217)、國家社會科學(xué)基金重大項目(16ZDA113)、中國科協(xié)項目“全球量子信息產(chǎn)業(yè)布局及發(fā)展路徑研究”、山西省科技戰(zhàn)略研究專項(202204031401039)資助。（來源：中國物理學(xué)會期刊網(wǎng)，參考文獻(xiàn)略）