科學家回信|潘義明：對阿秒物理的研究推動飛秒技術的應用和普及
編者按：2023年5月起，“學習強國”學習平臺與中國科學報社聯合發起“科學家回信”活動，邀請廣大讀者向自己心中向往尊敬的科學家、科技工作者提問、留言。活動啟動后，“學習強國”“科學網App”收到了讀者的踴躍留言。我們精選了讀者蒯詩杭的提問，請上海科技大學物質科學與技術學院助理教授、研究員潘義明發出第四十四期回信。
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讀者蒯詩杭：2023年諾貝爾物理學獎頒給了阿秒物理，阿秒物理是什么? 對我們普通人的生活有什么影響嗎?
潘義明：簡單說，阿秒是個非常短的時間單位。阿秒是目前已知光學脈沖可控的最小時間單位，1阿秒等于10-18秒，或者說，將1秒分成100億億份，1阿秒只占其中的1份。
人們用這樣一個極短的時間單位來定義某一個物理學分支，有其重要意義和價值。
不同的時間單位應用于不同的場景。我們熟悉的時間單位如年、月、時、分、秒，可用于計量我們身邊世界。隨著人們認知疆域的拓展，探索觸角進入分子、原子的世界，想在原子尺度內(10-10米)了解一些生命現象、掌握一些化學反應過程，就需要進行飛秒（10-15秒）甚至阿秒時間尺度內的物理研究。
比如，在氫原子和氧原子結合形成水的化學反應過程中，從分子、原子或更小尺度看，氫鍵如何斷裂，與氧離子結合并形成水分子，這個過程非常短暫。但它需要的時間，差不多是飛秒量級。
通常，化學反應的時間尺度就以飛秒為基本單位。1999年，諾貝爾化學獎頒給艾哈邁德·澤維爾（Ahmed H.Zewail），以表彰他應用飛秒激光閃光成相技術(pump-probe technique)，觀察到分子中的原子在化學反應中如何運動，從而有助于人們理解和預期重要的化學反應，并為整個化學及其相關科學帶來了一場革命。
我們知道光有熱效應，比如，曬太陽時，陽光“打”到皮膚表面，我們能感覺到溫暖。實際上是太陽光被人的皮膚分子吸收，然后分子開始振動并產生熱能。這些熱能被神經系統捕捉我們就能感受到溫暖。人們用同樣的原理進行激光精密器件加工，要把器件表面切割得比較光滑，激光照射的時間就不能過長，因為照射時間過長會使切口附近的分子振動、融化。
所以進行精密加工時用非常強的激光脈沖，瞬間把不需要的部分切掉，讓它周圍分子來不及產生熱效應就完成了。此外，在醫學臨床上，人們用激光進行腫瘤切除手術、美容美膚等，也是利用極短的飛秒激光來完成的。
從古希臘開始，人們就提出“原子是構成物質的最小單元”。但那時沒有人看得到原子，也不知道它是什么樣，“原子”只是假說。后來，人們基于嚴謹的物理實驗看見原子，物質結構確實是這樣。隨著人們一步步提高時空的分辨能力，突破更微小時間和空間的尺度，我們能在原子尺度看到物質運動的動態過程，比如，看到原子里電子如何繞著原子核運動，這就需要亞飛秒到阿秒的時間“尺子”去度量。
就像人們早期看賽馬時，想知道賽馬奔跑時四只蹄子能否同時懸空。因為馬跑得太快了，靠肉眼根本看不清楚，后來人們發明了快門速度達到千分之一秒的高速相機，才把賽馬奔跑的實際情況記錄下來。當人們研究的視野達到原子和亞原子尺度，就需要阿秒科學中發展出來的技術了。它相當于一個速度極快的快門，能在10-18秒的時間內打開，讓激光發射出去再迅速關閉，形成一個極短時間窗口的光脈沖，并用這個脈沖去激發原子內部的電子，讓電子從一個量子狀態跳到另外一個量子狀態，并且可以精準地操控它。
現代物理學有兩塊基石：相對論和量子力學。其中，量子力學研究的就是空間上達到分子、原子量級（單個原子的空間尺度約10-10米），同時在時間尺度上是飛秒到阿秒的尺度。我們要了解原子的內部以及核外電子的運動，掌握其運動規律，甚至要操控原子，需要的時間精度就是阿秒時間尺子，空間精度則接近一個原子。
目前，人們還沒有真正看到電子繞原子核運動的這些現象，要弄清這些核外電子如何從一個能級跳到另一個能級，掌握其運動規律甚至能精確操控原子、電子，我們就需要大力發展阿秒物理，從被動地發現一些物理化學變化規律，到主動地用這些阿秒現象去設計和發展一些功能技術和器件來，并制造出一些人類或者自然界無法自發產生的物理、化學和生物現象來，將是非常吸引人的。
阿秒物理作為科研人員探索世界的新工具，目前還處于前沿研究階段。因為阿秒技術難度非常大，所需設備造價昂貴，導致科研“門檻”很高，所發展的技術暫時還沒有應用于人們的日常生活。
雖然這一項研究距離普通人的距離還有些遙遠，但科研人員對于阿秒物理的探索，推動了不少飛秒激光技術，使得飛秒得到應用和普及。比如，飛秒激光切割、激光近視矯正手術出現在我們生產生活中。當前臨床上使用的二氧化碳冷分子激光手術其實是種飛秒激光技術。因為飛秒激光手術時間短，因此手術過程中人們完全感受不到疼痛，同時能完成精準切除。
阿秒比飛秒時間尺度更短，能看清更快、更小尺度的現象，甚至能原子尺度內進行切割，如果將來應用到精密加工或醫學上，會有更好的精度。另一方面，如果人們掌握了原子運動規律，知道原子怎樣結合，掌握了原子內部的量子操控技術，就可以自由地控制電子進行量子躍遷和隧穿。就像用膠水黏東西一樣，把不同原子在根基上黏在一起，按照人們需要去設計新的原子分子；像兩種作物嫁接那樣對原子進行某種意義上的“嫁接”，像“拼樂高”一樣制造新藥物、開發新材料。
這個過程可能會發現很多新的物理規律，催生很多遠超我們日常想象的新事物。甚至可以說，在學術意義下都是新的。
潘義明 上海科技大學物質科學與技術學院助理教授、研究員，上海市領軍人才。研究方向為超快電子束調控和量子光學的相互作用，量子模擬和拓撲光學，非線性光學等。在《物理評論快報》《自然-物理學》《自然-通訊》《先進材料》等發表30多篇論文，擔任《自然-物理學》《自然-通訊》《物理評論快報》等雜志審稿人。目前正在發展基于拓撲微納光子學的超快電子顯微鏡，電介質激光加速器、量子自由電子激光器等量子聯合平臺。
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