在比“秒”还小的单位里，光可以走多远？

2019 年 5 月 23 日 中科院高能所

作者单位：中国科学院西安光学精密机械研究所

来源：中国科普博览微信公众号

10^-18 秒里，光可以走多远？

阿秒是一个非常小的时间单位，1阿秒等于10^-18秒。为了理解起来更直观一些，我们引入光的概念。光的传播速度约为每秒钟30万千米，它穿越地球至月球36万千米的距离需要1.2秒，从北京到上海的1000千米它仅需3.3毫秒，穿越我们头发丝60微米直径需要200飞秒，如果距离再小一些，光穿越水分子直径0.3纳米的时间即为10^-18秒，也即1阿秒。

图1. 不同时间/空间尺度的比较

阿秒光源：照亮电子的路！

阿秒脉冲就是持续时间在阿秒量级的超短闪光，可这种新型光源有什么用处呢？在当前的信息时代，手机、电脑等电子产品都已成了大伙的必需品，它各种超炫功能的背后实质就是“1⇌0”的开关指令，现有半导体Mott晶体管最快响应速度为1.2 ps，已接近物理极限。借助这种新型光源，德国科学家在2013年报道了一重磅发现：通过阿秒光场观察、控制电子运动，可实现“绝缘体⇌导体”的超快转变过程，其开关速度比现有半导体技术提高近10000倍！这是一项了不起的发现，普遍认为将开启下一代超高速信息处理领域的技术革命！

实际上，这种新型光源的应用并不仅限于此。比如在生物医学领域：癌症作为世纪难题，目前普遍认为其诱因是紫外辐射导致的DNA损伤，但受限于现有的技术手段，该推论无法得到确认。DNA分子由原子构成，而原子又包含电子和原子核，那么，借助阿秒脉冲，科学家就有可能在更微观、更基础层面看清DNA损伤内在的电子运动过程，理清紫外辐射导致的DNA损伤与肿瘤癌变的生理关联，无疑这将使癌变的预防、诊断及治疗更加有的放矢。再比如在超导技术领域：超导技术具有广阔的应用前景，如磁悬浮技术、超远距离大容量电力输送等国计民生领域，但在经历了几十年的发展后至今依然局限在低温超导研究层面，并没有实用化，其根本原因在于超导微观机理仍然没有得到系统解释。而借助于阿秒脉冲，科学家便有可能准确跟踪电子库珀对的配对过程，清楚看到怎样的电子配对机制能导致超导现象，如此再通过电子光场调控，便可将低温超导拓展至常温甚至高温超导，这势必将大大推动超导技术的实用化进程。类似的应用也可推广到光伏技术领域。

图2. 阿秒光源有望解决的重大科学问题和民生需求

2001年，人类进入阿秒时代

无论是分子/原子还是纳米尺度域，电子运动的特征时间尺度都在阿秒量级。如图3所示。如，价电子乃至内层电子的运动、熔融物质等系统中自由及准自由电子的集体运动都在阿秒量级。对于这样的微观超快研究对象，最可信赖的研究工具就是阿秒脉冲。也正是源于其潜在的颠覆性应用价值，阿秒脉冲的成功产生被认为是一个里程碑事件！2001年，奥地利科学家F. Krausz国际首次实现了单个阿秒激光脉冲的产生与测量(脉宽650阿秒)，宣告了人类对物质世界的探索进入了阿秒科学时代。2004年，F. Krausz教授的研究组通过采用载波包络相位锁定的7 fs激光脉冲作为驱动光源，进一步产生了脉宽为250阿秒的光脉冲；2006 年意大利科学家M. Nisoli产生了130 as的当时最短脉冲；2008 年F. Krausz 教授到德国马普量子光学所后的研究组再将这一纪录突破到80as；2012和2017年，美国中佛罗里达大学Z.Chang教授研究组利用新的选通方案将最短脉宽记录连续改写为67as和53 as；2017年晚些时候，瑞士苏黎世联邦理工大学H. J.Wörner研究组又将最短相干激光脉冲世界记录推进到43as，并保持至今。如图4所示。

图3. 微观领域的特征时间尺度（Reviews of Modern Physics, 81,163(2009)）

图4. 阿秒脉冲技术发展历程

基于阿秒脉冲这种新型光源，研究人员开发出了用于“冻结拍照”院子内电子动力学过程的阿秒相机技术：使阿秒脉冲作为超快过程的“闪光”，同时用飞秒光脉冲作为该动态拍照过程的“快门”，即可获得近乎完美的冻结画面。该“闪光-快门”过程的物理专业术语是“泵浦-探测”。图5所示。这里需要说明的是，阿秒脉冲触发产生的信号载体是电子，飞秒脉冲拍照记录下来的是电子的能量/动量信息。根据此信息，即可获得电子动力学过程的演化轨迹，准确把握超快现象背后的物理本质。

图5. 阿秒相机技术：(a) “闪光-快门”拍照原理；(b)获得的电子动力学（Nature 466,739 (2010)）

全球阿秒光源建设现状

鉴于阿秒科学的重大基础研究价值和重大应用前景，阿秒光源重大科技设施发展迅猛，得到各国政府及国际组织的支持和积极推动，目前已立项的有欧洲极端光设施-阿秒光源和韩国浦项阿秒光源，而美国、加拿大、日本等国也正在积极筹建大型阿秒光源。

欧洲极端光设施（Extreme Light Infrastructure, ELI）是国际上阿秒科学和强场物理研究的代表性大科学装置。极端光设施于2007年启动实施，涉及到欧盟18个成员国将近40个研究和学术机构，并率先布局三大光源，即阿秒光源重大装置 (匈牙利)、高能束线重大装置(捷克)、核物理重大装置(罗马尼亚)。必须指出，三大光源均选址于经济水平稍逊的欧洲中东部地区，是“欧洲经济振兴计划”的重要组成部分，有助于提升当地科研水平，形成人才聚集效应，促进欧盟科技与经济的均衡发展。欧洲ELI阿秒光源装置一期于2014年投入约2.43亿欧元，一期束线即将研制完成，预期2019年业务运行。该阿秒光源的建设目标是产生位于极紫外和软X射线波段的高能量阿秒脉冲源，为深入研究结构变化和原子分子内电子的运动提供新的手段，为实现复杂原子、分子和凝聚态系统中高时空分辨(阿秒时间和皮米空间分辨)的动态电子结构动力学开辟新的道路，并使用阿秒技术探索化学、生物、纳米科学、太阳能电池、人工光合作用、信息技术、材料科学等，引领基础前沿研究和推动高新技术变革。

图6. 全球阿秒光源重大设施

与目前主流的同步辐射光源和自由电子激光光源相比较，阿秒光源的特点是具有极高的时间分辨率和时间空间相干性。目前我国在建或规划建设的大科学装置最高时间分辨率在飞秒及亚飞秒级，还没有针对阿秒科学与技术应用的专用设施。中国科学院西安光机所作为国内瞬态光学与超快诊断研究的主要机构，培养了大批优秀人才，在国内外享有盛誉，近年来牵头开展西安阿秒光源重大科技设施的规划建设。可以预见，西安阿秒光源的规划建设对增强我国原始创新能力、实现从科技大国迈向科技强国的目标具有重要的战略意义，并将在促进基础科学，应用技术发展中大展宏图，最终造福人类。

表1. 阿秒光源、同步辐射、自由电子激光的比较