专家解读诺贝尔物理学奖：配合阿秒技术可以检测生物分子“指纹”

今年诺贝尔物理学奖授予法国科学家皮埃尔·阿戈斯蒂尼，匈牙利裔奥地利科学家费伦茨·克劳斯和法国/瑞典科学家安妮·吕利耶，以表彰他们“为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”。

华中科技大学是国内少数几个实现阿秒脉冲的产生和测量的高校之一。据该校超快光学实验室主任、物理学院教授兰鹏飞介绍，通过阿秒时间分辨超快测量技术，他们最近还拍摄了氮气、二氧化碳和丁二炔等分子内部电荷从一个原子核移动到另一个原子核的过程，“相当于一部‘分子电荷迁移电影’”。围绕什么是阿秒脉冲，该项技术能解决什么问题，以后又将应用哪些场景等问题，新京报记者专访了兰鹏飞。

阿秒脉冲的产生基于高次谐波辐射

新京报：10月3日，瑞典皇家科学院决定将2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·吕利耶。在你看来，三人的贡献在哪里，为何得奖？

兰鹏飞：三位科学家提出了为研究物质中的电子动力学而产生阿秒脉冲的实验方法。具体而言，阿秒脉冲的产生是基于高次谐波辐射，L’Huillier于1988年在实验上利用波长为1064纳米的红外激光驱动稀有气体产生了高次谐波。13年之后，也就是2001年，Agostini基于高次谐波辐射首次在实验上产生了阿秒脉冲串，并测得每个脉冲脉宽都为250阿秒；同年，Krausz首次在实验上产生了孤立阿秒脉冲，并测得其脉宽为650阿秒，从此打开了阿秒科学的大门。

新京报：什么是阿秒脉冲，它是如何产生的？

兰鹏飞：阿秒脉冲就是脉冲宽度为阿秒量级的光脉冲。实验上，是用超强飞秒激光与气体介质相互作用，通过操控原子或分子中的电子运动产生高次谐波辐射，高次谐波的频率通常是飞秒激光频率的奇数倍，最大频率可以达到飞秒激光频率的几十倍甚至上百倍。由于不同频率成分高次谐波之间具有相干性，选择若干频率成分的高次谐波进行叠加就可以在时域上得到一个或一系列的光脉冲，脉冲的宽度刚好为阿秒量级，即阿秒脉冲。

阿秒脉冲实现了目前最快的“快门速度”

新京报：有专家指出“阿秒脉冲正是当前人类所能接触到的最快的时间尺度”，如何通俗地去这理解这个表述？

兰鹏飞：形象地说，就像拍照片和录视频，我们看到的电影和电视节目通常是每秒几十帧，每一帧就是一幅静止的画面。把静止的画面以每秒几十帧的速率播放出来，就是我们所看到的电影。在拍照时，每秒所能拍摄的帧数取决于快门的速度，快门速度越快，单位时间内拍摄的帧数就越多，记录下的动态过程就越精细。目前，实验上所能得到的最快的“快门速度”就是通过阿秒脉冲实现的，这大概是光穿过人类头发丝直径所用时间的万分之一。

新京报：据悉，华中科技大学是国内少数几个实现阿秒激光脉冲的产生和测量的高校之一，这些实验揭示了什么？

兰鹏飞：华中科技大学在实验上产生了阿秒脉冲，并对原子分子内的电子运动进行了测量。通俗地讲，拍摄了氩原子内部电子运动过程。我们最近还拍摄了氮气、二氧化碳和丁二炔等分子内部电荷从一个原子核移动到另一个原子核的过程，相当于给分子内部的电子运动拍摄了一部“分子电荷迁移电影”，拍摄时间分辨率达到阿秒。

阿秒脉冲为未来超快信息处理奠定基础

新京报：此次诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森认为，人们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学让科学家有机会了解电子控制的机制，也让人们能够进一步理解一些基本问题。你认为，这些基本问题具体指哪些？

兰鹏飞：阿秒脉冲目前主要是用于测量原子、分子或者固体中电子运动过程，可以让人们更好地理解很多光与物质相互作用的基本问题，比如电子如何从势垒隧穿出来？是否需要时间，需要多长时间等。此外，发生光化学反应时，反应的具体过程是如何进行的，能否像拍摄电影一样把化学反应过程“拍摄”下来等。

新京报：除此之外，阿秒脉冲还有哪些应用前景？

兰鹏飞：阿秒脉冲除了测量电子超快过程，还可用来操控电子运动，进而实现超快操控，有可能为未来的超快信息处理奠定基础。同时，阿秒脉冲还可以用于生物医学方面的精密检测，通过结合超快激光和精确飞秒-阿秒光场分辨技术，可以检测生物分子的“指纹”。这有望成为一种新的体外诊断分析技术，如用于检测癌症病变等。