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在廣東東莞阿秒科學中心實驗室中，科研人員正在緊張地進行設備調試。圖片為工作人員在調試應用於先進阿秒激光設施的高性能激光器。新華社發

新年伊始，傳來好消息——國家重大科技基礎設施先進阿秒激光正式啟動工程建設。這一項目分為兩個部分，東莞部分和西安部分，分別由中國科學院物理研究所和西安光學精密機械研究所建設。擬通過5年左右的時間，建設以阿秒時間分辨能力為主要特點的綜合性超快電子動力學研究設施。這一設施波長覆蓋極紫外、軟X射線與太赫茲輻射等波段，擁有10條超快光束線和22個研究終端，能實現對電子運動和電子關聯的跟蹤測量和操控，進而解釋物質狀態演化規律，為實現基礎研究的重大突破提供有力支撐。

阿秒究竟是什麼秒？

1秒，很短。阿秒，更短——它是人類迄今為止能夠掌握的最短時間單位，1阿秒僅為一百億億分之一秒（10-18秒）。我們知道，光速是人類已知的速度極限。1秒時間裡，光可以穿越30萬千米，相當於繞地球赤道7圈半﹔而在1阿秒內，光隻能傳播0.3納米的距離，大概相當於一兩個硅原子的長度。

在宏觀世界中，我們很難想象這麼短的時間裡能發生什麼事情。但在微觀世界裡，改變，就發生在1阿秒中——電子的運動可以用阿秒來測量。用學術的語言來說，電子運動的特征時間就是阿秒。

我們在日常生活中會接觸到各種物理和化學現象，例如固體中的電流、超導現象、芯片中的計算、光伏發電、電燈發光、水結冰、電池放電、液晶屏顯示、酒精殺死細菌等，其終極物理基礎都是微觀粒子的運動和相互作用。

而微觀粒子也有大小之分。電子是常見的微觀粒子中質量最小的，質子或原子核的質量約為電子的1000多倍。因此，在所有物理過程中，電子的速度比原子分子快得多。這也是為什麼電子運動和電子關聯，是最基礎、最核心的物理過程。

特征時間在飛秒（也是時間單位，等於1000阿秒）或更長時間尺度下的原子和分子運動，其實發生在電子的運動之后，是電子運動的結果。就我們目前所知，電子是物質中首先響應、並推動其他微觀粒子運動的原因。因此，要想真正透徹地了解這些物理現象，就必須研究電子的超快運動。

用什麼來研究？方法很多。最直接的莫過於能“捕捉”電子運動的高速攝影機了。我們知道，在短跑、游泳等體育運動中，高速攝像機是一項利器。這種高速攝像機的時間分辨能力比人眼還強大，能捕捉到人眼無法觀測到的每一個動作細節，拍成一幀幀照片，再進行有針對性的改善和提升。

要想給電子拍“紀錄片”，就得研制與電子運動相匹配的設備——電子運動的特征時間在阿秒量級，就必須使用阿秒激光才能觀測其運動。可以說，阿秒激光將人類探索世界的時間分辨率推進到了阿秒尺度，是一台能夠捕捉電子運動的“高速攝影機”，深入到了電子動力學分辨的層次，開啟了超快科學的新時代。

阿秒激光首次為人們提供了直接測量電子動力學的工具，能夠“錄”到電子運動的每一幀軌跡，為研究物理、化學、材料、信息、生物醫學等學科中的重大科學問題提供了嶄新的技術手段，有望在基礎研究和產業技術領域催生顛覆性的、裡程碑式的突破，因此建設先進阿秒激光設施具有重要的科學意義和國家戰略意義。

阿秒激光是如何產生的？

那麼，如此之短的阿秒激光該如何產生呢？它與我們日常生活中見到的火光、燈光，或是電腦屏幕發出的光都不一樣﹔與普通激光的產生方式也不相同——阿秒激光源於電子的運動。這是因為電子運動實在太快了，由其他運動或過程產生的光脈沖都不可能與電子運動時間尺度相當，最終隻能靠電子自己測量自己。

要說清楚這個問題，我們先來說說什麼是光電效應。1905年, 愛因斯坦發表了他最著名的研究成果之一——光電效應，也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。在這一理論中，愛因斯坦將光描述為一種粒子，稱為光子。被光照射時, 金屬中的電子每次可以吸收一個光子從而獲得光子的能量。如果光子的能量足夠大，這個電子就能夠逃離金屬，造成光電效應。

在氣體原子中也有類似的情況。由於電子帶負電、原子核帶正電，它們互相吸引，導致電子隻能在原子核附近運動。如果電子想擺脫原子核的束縛飛走，就需要吸收一定的能量。在原子物理中，這個過程叫作“電離”。電離過程比較復雜，簡單地解釋，就是在強度比較高的激光場中，電子有可能一次吸收多個光子的能量從而電離。在電離實驗中，隨著激光強度的提高，人們發現，觀察到的光電子有可能具有很高的能量，說明電離過程中電子吸收了很多個光子的能量。這種后來被稱為“閾上電離”的現象，是在1979年由物理學家皮埃爾·阿戈斯蒂尼發現的。大約10年后，人們又發現，這些獲得了很高能量的電子還有可能再回到原子核附近，並且把這些能量再釋放出來，釋放出的能量就形成了阿秒激光。

這個過程實際上要復雜得多，需要利用復雜的實驗設備進行精密地控制才能實現。因此，在此后的十幾年間，科學家一直無法在實驗中穩定觀測。

進入21世紀后，國際上才有多個研究小組在實驗中測量到了阿秒激光，並且將其脈沖寬度一步步縮短。2017年，美國和瑞士的研究組分別測量得到了53和43阿秒的阿秒激光脈沖寬度，是迄今為止人類測量到的最短的激光脈沖。2013年中國科學家首次獲得130阿秒的激光脈沖﹔2024年，國內的研究小組獲得51阿秒的激光脈沖，基本追平了國際上的前沿成果。

先進阿秒激光設施有什麼用？

2023年10月，諾貝爾物理學獎授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費倫茨·克勞斯和安妮·呂利耶，以表彰他們為研究物質中電子動力學而產生阿秒激光脈沖的實驗方法。

阿秒激光為什麼如此重要？因為阿秒激光不單是時間尺度的進步，更重要的是能將人們研究物質微觀運動的能力，從原子分子推進到原子內部，進而對電子運動進行直接探測，實現對其物理性質的理解，進而控制原子內電子的動力學行為。換句話說，我們最終將能夠操縱單個微觀粒子。而這必將引發基礎物理研究的重大革命。

例如，我們可以用阿秒脈沖去跟蹤化學反應中的電子，去了解甚至操控反應的進程﹔可以仔細觀察光電池和半導體芯片中的電子，尋找更高效的太陽能電池和更高速度的芯片﹔可以度量超導體中的電子對，去尋找揭開超導秘密的鑰匙﹔可以儲存和操作量子計算機中的電子和光子。我們甚至可以用阿秒激光這把“鑷子”，來分析病毒或者蛋白質的結構和行為，或是把藥物放進生病的細胞，癌症等疑難雜症就有可能被治愈。

如今，我國先進阿秒激光設施已經開建。它是世界第二個、亞洲第一個阿秒激光科研設施。建成后，其性能將超越歐洲已部分建成的極端光設施中的阿秒脈沖光源裝置。

那麼，阿秒激光設施是如何實現的呢？簡單地說，需要光源和研究終端。超快光束線是提供脈沖式激光光源的科研裝置，其輸出的激光脈沖持續時間極短，因此被稱為超快光源。而研究終端則是可以放置樣品並開展物理學、化學或生物學實驗的測量設備。兩相結合，將束線輸出的激光導入終端，以開展超快光學實驗研究，就形成了阿秒激光設施。

先進阿秒激光設施將是自由電子激光裝置、同步輻射裝置之外極具先進性的新型光源，並有望領先國際水平。同時，它也將成為建設地區的新名片之一，有利於提升區域科技的國際影響力，並推動經濟發展，凝聚全球高端科技力量，發揮科學設施的集聚效應，大幅度提升源頭創新能力，促進重大科技前沿問題的突破和重大成果的產出。先進阿秒激光設施也將在我國基礎前沿、高科技產業、國防科技等多個領域發揮巨大作用，推動多學科原始創新和重大應用，支撐我國在新一輪世界科技革命中搶佔先機，助力社會經濟和國家安全的跨越式、高質量發展。

先進阿秒激光設施就是科學研究的終點嗎？不！再進一步, 當人類探索更短的時間尺度時, 就需要通過某種更快的媒介獲得仄秒（千分之一阿秒）激光，這個媒介很可能要在光與原子核、質子或中子的相互作用中尋找，其本身的特征時間就應該在仄秒量級。隨著科研的進展，我們相信，超快光學也終將跨過仄秒的門檻！

（作者：趙 昆，系先進阿秒激光設施總工程師、中國科學院物理研究所研究員）

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