阿秒超快光學(xué)

隨著科技的飛速發(fā)展，光電應(yīng)用與材料領(lǐng)域正不斷涌現(xiàn)出令人矚目的新知識和技術(shù)與新應(yīng)用，為響應(yīng)國家號召，北京卓立漢光儀器有限公司積極承擔(dān)社會責(zé)任，特別策劃并推出《名家專欄》系列技術(shù)與應(yīng)用新聞專欄，該專欄匯聚激光物理、拉曼光譜、等離子體、電化學(xué)、量子理論及激光誘導(dǎo)擊穿光譜等多領(lǐng)域系列，全系列專欄共計36篇，深入剖析前沿科技，為讀者帶來專業(yè)而豐富的知識盛宴，為廣大科研工作者提供一個交流與學(xué)習(xí)的平臺。

首篇《名家專欄》激光物理系列專欄，榮幸地邀請到了中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所的曾志男老師，他將為我們深入解讀阿秒超快光學(xué)的奧秘，帶來前沿的知識分享。

《名家專欄》第一期：人物介紹

曾志男，上海光機所研究員，其團(tuán)隊長期從事高次諧波（HHG）和阿秒超快方面研究，參與建設(shè)上海超強超短激光裝置（SULF）等，發(fā)表 SCI 論文 80 余篇，編撰專著《阿秒激光技術(shù)》，先后獲得基金委“優(yōu)秀青年基金”和國家科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才的資助。

2023年，諾貝爾物理學(xué)獎被授予美國俄亥俄州立大學(xué)教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德國馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所教授費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）、以及瑞典隆德大學(xué)教授安妮·呂利耶（Anne L'Huillier）這三位實驗物理學(xué)家，以表彰他們開發(fā)了能夠產(chǎn)生阿秒（10-18秒）光脈沖的實驗方法，從而用于研究物質(zhì)中的超快電子動力學(xué)。

時間的精確測量是實驗科學(xué)的核心，將計時觀測擴展到更短的時間尺度是實時觀測微觀現(xiàn)象的關(guān)鍵，這些微觀現(xiàn)象包括從重要的生物過程到高科技背后的動力學(xué)。阿秒脈沖的根本用途即研究微觀現(xiàn)象的電子超快動力學(xué)。在微觀世界，生物、化學(xué)和物理的界限正在逐步消失，因為其根本都是來自電子運動，例如分子內(nèi)的電子運動負(fù)責(zé)生物信息傳遞、改變化學(xué)產(chǎn)物以及生物系統(tǒng)功能，信息處理的速度則可以通過采用更小的納米電路來提高等等。在能源領(lǐng)域，阿秒脈沖助力于探測新材料中的電子和空穴之間的電荷轉(zhuǎn)移機制，推進(jìn)超導(dǎo)體、半導(dǎo)體的研究，提升太陽能電池的效率，等等。阿秒計量學(xué)為原子、分子和固體中迄今為止難以測量的快速電子現(xiàn)象提供了途徑，是測量技術(shù)的革命。

阿秒脈沖產(chǎn)生示意圖（來自網(wǎng)絡(luò)）

孤立阿秒脈沖追蹤電子

孤立阿秒脈沖的產(chǎn)生使得原子核外最快的運動——原子系統(tǒng)中的電子動力學(xué)——得以被捕獲。如果我們想觀測微觀的原子分子，一個好的辦法是用激光脈沖去照射微觀的粒子，然后觀測這些微觀粒子的行為。原子系統(tǒng)中電子的運動速度實在太快了，繞原子核一圈通常只需要百阿秒量級的時間。這就要求科學(xué)人員在給原子"拍照"的時候需要使用超快的阿秒量級的"閃光燈"，這種"閃光燈"就是阿秒激光。

電場波形受控的少周期激光脈沖和它們產(chǎn)生的孤立阿秒脈沖構(gòu)成了一種有效的泵浦-探測技術(shù)，既可以對光信號進(jìn)行精確的阿秒計量，又可以實時探測在光信號上留下的各種電子過程信息。阿秒電子條紋相機記錄條紋光譜圖，可以測量亞飛秒激光波形和XUV阿秒脈沖。XUV阿秒脈沖用作觸發(fā)，穩(wěn)定的激光電場作為探針，可以提供對激發(fā)原子中多電子弛豫過程的實時觀測，例如級聯(lián)俄歇衰變和原子內(nèi)電子關(guān)聯(lián)等。

阿秒是人類目前可操控的最短脈沖，對標(biāo)于電子運動的時間尺度（來源于網(wǎng)絡(luò)）

凝聚態(tài)物質(zhì)的阿秒物理學(xué)

早期固體中的第一個阿秒時間分辨研究是使用阿秒條紋相機對單晶鎢進(jìn)行的，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生自鎢局域核心態(tài)的電子到達(dá)鎢表面的時間比那些來自導(dǎo)帶離域電子延遲了約 100 阿秒。對于單晶鎂，來自核芯能級和價帶態(tài)的光電子則同時到達(dá)表面，實驗不確定度為 20阿秒。而且，阿秒XUV 脈沖激發(fā)的光電子能夠直接探測等離子體（金）納米局域電場振蕩，為空間和時間上的超快納米等離子體傳播研究提供直接途徑。這些新穎的阿秒技術(shù)可能有助于研究克服當(dāng)代數(shù)字電子設(shè)備速度限制的方法，并探索基于電子的信號處理的極限。

表面等離子體的阿秒電子動力學(xué)（nature photonics, vol 1, September 2007, 539）

電子信號處理的前沿

當(dāng)代數(shù)字電子產(chǎn)品的基本構(gòu)建模塊是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。 盡管高速 MOSFET 的截止頻率 fcutoff 大約在 100 GHz~1 THz 范圍內(nèi)，但處理器的最大速度已限制在 fprocessor ≈ 3 GHz 很多年。這種限制是由連接晶體管以形成處理器的互連線的充電時間 τcharging 造成的；另一個限制源于散熱，這也主要發(fā)生在當(dāng)代數(shù)字電子產(chǎn)品中晶體管對互連線充電和傳輸信號時。對于長 (~5 mm) 互連，每個開關(guān)周期在此過程中消耗的能量約為 Qswitch ≈ (1/2) Cinterconnect (ΔUgate )2 ≈ 1 fJ。處理器時鐘速率由長互連決定，而每個晶體管每個開關(guān)的平均能量由典型 (~500 μm) 互連決定，并且要小一個數(shù)量級 (Qswitch ≈ 0.1 fJ)。 這給出了每個處理器功耗的上限 Pprocessor ≈ Nt fprocessor Qswitch ≈ 300 W，其中 Nt ≈ 109 是處理器中晶體管的數(shù)量。這對將當(dāng)前的數(shù)字電子產(chǎn)品擴展到更高的時鐘速率和晶體管數(shù)量構(gòu)成了另一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)(Nature Photonics, vol 8, March 2014, 208)。

可逆強場效應(yīng)在信號處理中的實用性在未來可能得到驗證，其帶寬在原始實驗中約為 0.2 PHz（200GHz）。最近，能夠測量光波形的固態(tài)太赫茲帶寬示波器已成為現(xiàn)實。

芯片上的阿秒電子運動(Nature Photonics, vol 15, pages 456–460 (2021))

阿秒物理學(xué)：未來

受控光場和阿秒測量技術(shù)有助于推動未來數(shù)字電子產(chǎn)品的速度前沿。對電子運動的直接時域測量對于理解生命組成部分（即生物分子及其復(fù)合物）的內(nèi)部運作也至關(guān)重要。這些知識涉及高度復(fù)雜系統(tǒng)中非常復(fù)雜的電子過程，將對生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)治療產(chǎn)生影響。進(jìn)一步，阿秒也將無法滿足人類的需要。為探尋原子核的運動，科研人員必須進(jìn)入渺秒（或10-21秒）領(lǐng)域。