【物理学奖】2023年诺贝尔奖佳作推荐

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诺贝尔物理学奖颁给了Pierre Agostini、Ferenc Krausz 和 Anne L’Huillier，以表彰他们在产生阿托秒（attosecond）光脉冲方面的实验方法，这些光脉冲用于研究物质中电子的动态。他们的实验通过激光与气体原子的相互作用，创造出比以往可能的更短的光脉冲。这些极短的光脉冲能够捕捉到电子在原子和分子内部的极其迅速的运动。阿托秒是一种极其短的时间单位，其在一秒钟内的数量与宇宙自形成以来的秒数相同，约为138亿年。这一新的研究领域被称为阿托秒物理学，为我们提供了一种全新的观察和研究物质内部过程的方法。

电子在光脉冲中的运动

电子在原子和分子中的运动速度极快，其位置和能量在阿托秒的时间尺度上发生变化。阿托秒是一种极其短的时间单位，其在一秒钟内的数量与宇宙自形成以来的秒数相同。这种极短的时间尺度使得电子的运动变得模糊不清，因此需要使用技术手段来捕捉或描述这些非常短暂的瞬间。高速摄影和闪光灯照明使得捕捉飞逝现象的详细图像成为可能。

利用高次谐波产生更短的脉冲

Anne L’Huillier 和她的同事在1987年通过将红外激光束传输通过稀有气体来产生和演示高次谐波。红外光产生了比先前实验中使用的短波长激光更多、更强的高次谐波。在一系列的文章中，L’Huillier 在90年代继续探讨这种效应，她的结果为下一个实验性突破奠定了理论基础。

电子的逃逸产生高次谐波

当激光光进入气体并影响其原子时，它会引起电磁振动，扭曲围绕原子核的电子的电场。电子可以从原子中逃逸出来。然而，光的电场持续振动，当它改变方向时，一个松散的电子可能会冲回其原子的核。在电子的外出期间，它从激光光的电场中收集了大量额外的能量，并且为了重新附着到核上，它必须以光脉冲的形式释放其多余的能量。这些来自电子的光脉冲就是实验中出现的高次谐波。

电子运动的可接近性

阿托秒脉冲使得测量一个电子被从一个原子拉开的时间成为可能，并且可以检查这个时间是如何依赖于电子与原子核的紧密绑定的。阿托秒脉冲可以用来测试物质的内部过程，并识别不同的事件。这些脉冲已经被用来探索原子和分子的详细物理学，并且它们在从电子到医学的领域都有潜在的应用。

关键研究 1

Li, X. F., l’Huillier, A., Ferray, M., Lompré, L. A., & Mainfray, G. (1989). Multiple-harmonic generation in rare gases at high laser intensity. Physical Review A, 39(11), 5751.

论文链接：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.39.5751

Readpaper链接：https://readpaper.com/paper/2089040881

关键研究 2

Ferray, M., L'Huillier, A., Li, X. F., Lompre, L. A., Mainfray, G., & Manus, C. (1988). Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 21(3), L31.

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-4075/21/3/001

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关键研究 3

Paul, P. M., Toma, E. S., Breger, P., Mullot, G., Augé, F., Balcou, P., ... & Agostini, P. (2001). Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation. Science, 292(5522), 1689-1692.

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.1059413

Readpaper链接：https://readpaper.com/paper/1976605764

关键研究 4

Hentschel, M., Kienberger, R., Spielmann, C., Reider, G. A., Milosevic, N., Brabec, T., ... & Krausz, F. (2001). Attosecond metrology. Nature, 414(6863), 509-513.

论文链接：https://www.nature.com/articles/35107000

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特邀作者：日本早稻田大学计算机系博士 王军杰