專訪諾貝爾物理學(xué)獎得主皮埃爾·阿戈斯蒂尼：光學(xué)發(fā)展將擁有無限可能

每經(jīng)記者 溫雅蘭    于繡菡    每經(jīng)編輯 唐元    

在人工智能迅猛發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新重塑未來的當(dāng)下，科技已然成為未來發(fā)展的核心關(guān)鍵詞。

曾經(jīng)，我們用“白駒過隙”來形容時間如同一匹白馬在狹隘的隙縫中飛快而過。如今，人類的探測器已經(jīng)飛出了太陽系，而天文學(xué)家們的觀測范圍更是達到了數(shù)百億光年。

去年12月，2023年諾貝爾物理學(xué)獎、化學(xué)獎、生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎、文學(xué)獎及經(jīng)濟學(xué)獎頒獎儀式在瑞典首都斯德哥爾摩舉行。

瑞典皇家科學(xué)院宣布將2023年諾貝爾物理學(xué)獎授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、費倫茨·克勞斯 (Ferenc Krausz) 和安妮·盧利爾 (Anne L'Huillier)，以表彰他們的“為研究物質(zhì)中的電子動力學(xué)而產(chǎn)生阿秒光脈沖的實驗方法”。

至此，阿秒物理學(xué)的研究進入到了一個全新的階段，人類也擁有了新的工具來探索原子和分子內(nèi)部的電子世界。

為進一步了解阿秒脈沖技術(shù)的發(fā)展，探索科研人員的研究歷程，洞察科技改變世界的力量，《每日經(jīng)濟新聞》記者專訪2023年諾貝爾物理學(xué)獎得主皮埃爾·阿戈斯蒂尼，探究這一世界上最前沿科技的其中奧秘。

圖片來源：俄亥俄州立大學(xué)官網(wǎng)

何為阿秒？

“飛秒”曾經(jīng)被認(rèn)為是可以產(chǎn)生的閃光的極限。直到2023年諾貝爾物理學(xué)獎公布后，阿秒脈沖再次進入公眾的視野。

一阿秒有多短？

一阿秒之于一秒，相當(dāng)于一秒之于宇宙年齡。用數(shù)據(jù)來說，一飛秒等于一千萬億分之一秒，而一阿秒等于一百億億分之一秒。

在當(dāng)前的實際應(yīng)用中，阿秒光脈沖可用于測試物質(zhì)的內(nèi)部過程，并識別不同的事物。皮埃爾在接受《每日經(jīng)濟新聞》記者采訪時表示，與飛秒相比，阿秒的一個特性是，能夠?qū)⒏叽沃C波軟X射線（high harmonics soft-X-ray radiation）應(yīng)用于微處理器技術(shù)，或者說相干頻率的寬度可用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用中復(fù)雜分子的指紋識別。

例如在物理研究中，阿秒光脈沖可以用來研究電子在原子和分子中的超快動力學(xué)；在生物學(xué)研究中，可以幫助在癌癥早期診斷識別癌細胞的微弱信號；在材料科學(xué)中可以用于研究高溫超導(dǎo)材料、拓?fù)浣^緣體和磁性材料等強關(guān)聯(lián)電子材料的電子動力學(xué)，推動新型電子器件的發(fā)展；阿秒脈沖的超短特性使其在量子信息科學(xué)和量子計算領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，可能用于操縱和存儲量子信息等。

“阿秒光譜學(xué)是一項尖端技術(shù)，它允許在電子的自然時間尺度上測量電子動態(tài)。它使用孤立的阿秒脈沖來探測原子、分子和固體中的電子動態(tài)。綜合來看，在電子運動觀測領(lǐng)域，阿秒光譜（ attosecond wide spectra）將大有可為。”談及阿秒物理學(xué)的未來發(fā)展，皮埃爾如是說。

實驗成功需要努力也需要運氣

實驗的結(jié)果往往具有一定的偶然性，除了努力之外，也需要一定的運氣。

阿秒脈沖的物理原理可以追溯到上世紀(jì)80年代諧波的發(fā)現(xiàn)，但是從70年代到90年代末，阿秒脈沖的發(fā)展歷程仿佛隨機漫步。

1979年的ATI（閾上電離）實驗中，數(shù)據(jù)收集的速度之快出乎皮埃爾的意料。“因為在隨后的幾個月中，即使我們更換了皮秒激光器，并將電子能譜儀升級為更高質(zhì)量的半球形能譜儀，卻始終無法復(fù)現(xiàn)實驗結(jié)果，”皮埃爾講述說，“這種情況在實驗物理學(xué)中并不罕見。隨后我們實驗了一遍又一遍，在實驗結(jié)果得到最終確認(rèn)的時候，團隊成員終于能安心睡個好覺。” 

直到1994年在Veniard、Taieb 和 Maquet 的計算的影響下，皮埃爾及其團隊發(fā)明了RABBITT（通過雙光子躍遷干涉重建阿秒跳動）技術(shù)的雛形，使得測量高次諧波阿秒脈沖持續(xù)時間的可能。

科研道路總有“山重水復(fù)”，也有“柳暗花明”。

基于高次諧波產(chǎn)生再結(jié)合相位匹配技術(shù)，皮埃爾在2001年獲取了阿秒光脈沖，成為首個獲取阿秒脈沖序列的學(xué)者。然而，在這項關(guān)鍵研究發(fā)表后不久，迫于法國當(dāng)時的政策，剛剛年滿60歲的他不得不退休。但此時的皮埃爾并沒有選擇放棄，而是將這一挑戰(zhàn)視為新的起點。

他離開法國，先后在加拿大、荷蘭和德國進行研究，最終在俄亥俄州立大學(xué)穩(wěn)定下來，并繼續(xù)進行研究。 

我們常說，既來之，則安之。

彼時的皮埃爾內(nèi)心一定有不甘，有不滿，也有無奈。但是現(xiàn)在的皮埃爾很坦然地表示，如果當(dāng)時可以工作到70歲，那么自己肯定會留在CEA（法國原子能和替代能源委員會）。“但是我們很難猜測哪種選擇會有更好的結(jié)果，”皮埃爾說，“我對我在美國的經(jīng)歷十分滿意，也很感謝俄亥俄州立大學(xué)給予我的幫助。”

如今，皮埃爾對未來的科研充滿了期待。

科研人員完全可以朝著“頂點”一直攀登。他鼓勵年輕科學(xué)家們繼續(xù)在光學(xué)領(lǐng)域探索，無論是在微處理器技術(shù)還是醫(yī)療應(yīng)用中，或是在追求記錄最小時間片的科學(xué)研究中。他相信，繼2023年諾貝爾獎之后，光學(xué)領(lǐng)域的需求將持續(xù)增長，為年輕科學(xué)家提供更為廣闊的舞臺。