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皮埃爾·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、費倫茨·克勞斯 (Ferenc Krausz) 和安妮·盧利爾 (AnneL'Huillier) 因超短光脈沖而獲獎，該脈沖使得對電子的密切研究成為可能。
今年的諾貝爾物理學獎授予了三位物理學家——哥倫布俄亥俄州立大學的皮埃爾·阿戈斯蒂尼、德國加興馬克斯·普朗克量子光學研究所的費倫茨·克勞斯和瑞典隆德大學的安妮·魯利爾——表彰他們的研究成果研究阿秒光脈沖。
阿秒物理學使科學家能夠在最短的時間尺度上觀察最小的粒子。獲獎者開發(fā)了產(chǎn)生這些超快激光脈沖的方法，這些脈沖可用于以最小的尺度研究我們的世界，并在化學、生物學和物理學中得到應用。
位于斯德哥爾摩的瑞典皇家科學院今天上午宣布了該獎項。獲勝者分享1100萬瑞典克朗(100萬美元)的獎金。
獲獎者包括第五位獲得物理學獎的女性。在之前的 221名獲獎者中，只有4名是女性：1903年的瑪麗·居里 (Marie Curie) 因其在輻射現(xiàn)象方面的工作而獲獎；1963年的瑪麗亞·格佩特-梅耶 (Maria Goeppert-Mayer)因揭開了原子結構的一些細節(jié)而獲獎；2018 年的唐娜·斯特里克蘭(Donna Strickland)因在激光物理學方面的工作而獲獎；安德里亞·蓋茲 ( Andrea Ghez)于2018年獲獎。2020年用于研究超大質(zhì)量黑洞。
當安妮·盧利爾接到電話得知她獲勝時，她正在教學。“我演講的最后半個小時非常困難”她在頒獎后的新聞發(fā)布會上說道。“如你所知，獲得這個獎項的女性并不多，所以它非常特別。”
諾貝爾物理學委員會主席伊娃·奧爾森在發(fā)布會上表示：”產(chǎn)生阿秒光的能力在極小的時間尺度上打開了大門，也打開了通往電子世界的大門。”“早在1925 年，維爾納·海森堡就認為這個世界是看不見的。感謝阿秒物理學，這種情況現(xiàn)在開始改變。”
意大利米蘭理工大學研究阿秒科學的電氣工程師莫羅·尼索利 (Mauro Nisoli) 表示，獲獎者的選擇讓他“非常高興”。德國柏林馬克斯玻恩非線性光學和短脈沖光譜研究所的研究員 Marc Vrakking 補充道，獲獎者都是“當之無愧的”。“他們一個接一個地為這個領域做出了重大貢獻。” 弗拉金和其他專家在西班牙巴塞羅那舉行的阿秒科學會議上獲悉了今天的消息。“從那一刻起，就沒有人能真正傾聽談話了。”
令弗拉金感到驚訝的是，委員會選擇只獎勵實驗物理學家。他說，如果沒有理論家的重大貢獻，這個領域“永遠不可能發(fā)展成現(xiàn)在這樣”。
阿秒科學
移動速度太快而無法拍攝的物體在拍照時會產(chǎn)生光帶圖像。但使用極快的頻閃燈照亮物體可以使它看起來像是被時間凍結了。阿秒光脈沖的工作原理相同，打開了一個曾經(jīng)被認為不可能看到的現(xiàn)象世界。
原子科學的故事始于20世紀80年代末，當時L'Huillier和她在一家研究所(后來成為巴黎薩克雷大學的一部分)的合作者正在研究電離氬。當他們將氣體暴露在紅外激光下時，它會產(chǎn)生一系列更高頻率的光子，這意味著氬氣發(fā)射的單個粒子比觸發(fā)它們的激光中的粒子具有更高的能量。所有這些頻率都是激光的泛音——就像在鋼琴上重復相同的音符，但頻率更高。
L'Huillier和其他研究人員，包括當時在渥太華加拿大國家研究委員會工作的物理學家Paul Corkum，很快就闡明了氣體如何產(chǎn)生這些“高次諧波”的物理原理。這導致了一種稱為重碰撞的現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。當激光波撞擊原子時，波的電場會撕裂電子，留下正離子。但如果波的頻率正確，其快速振蕩的場將立即反轉方向，并在電子有時間去其他地方之前將電子推回離子。傳入的電子通常具有比最初電離原子所需的能量更多的能量，并且額外的能量以高頻光子的形式釋放。
意識到這些更高的頻率可以用來產(chǎn)生極短的脈沖，L'Huiller開始了一項提高高次諧波強度的計劃。2001年，巴黎薩克雷大學的 Pierre Agostini 領導的團隊率先成功將高次諧波轉化為阿秒級脈沖。至關重要的是，阿戈斯蒂尼開發(fā)了一種技術來測量脈沖持續(xù)時間并確認它們處于阿秒狀態(tài)——這是以前從未有人做過的。
激光聚焦
最初，阿秒脈沖彼此太接近而沒有用處。為了利用它們來研究阿秒級的過程，研究人員需要隔離脈沖。實現(xiàn)這一目標需要從非常短的激光脈沖開始，最多幾千阿秒。20世紀90年代末，在Nisoli團隊的貢獻下，Krausz開發(fā)了產(chǎn)生短孤立脈沖的技術。在2001年的一項實驗中，克勞斯將他的激光與高次諧波發(fā)生器相結合，產(chǎn)生了僅持續(xù)650阿秒的脈沖，首次突破了1000阿秒的障礙。“他是早期唯一一個擁有激光技術的人，可以按照您理想的方式進行阿秒科學，”弗拉金說。
在接下來的幾年里，克勞斯的團隊和其他人利用這項技術進行了一系列開創(chuàng)性的阿秒科學實驗。研究人員測量了光電效應的速度，即光將電子從原子上奪走。物理學家知道這是一個復雜的過程，并假設電子不會立即釋放，但在阿秒科學成為可能之前，沒有辦法測量其實際持續(xù)時間。
很快，這些技術不僅應用于單個原子，還應用于分子，甚至固體和液體。阿秒脈沖可以揭示分子失去電子并電離后立即發(fā)生的情況：剩余的電子開始重新排列，“早在原子核意識到發(fā)生任何事情之前”，尼索利說。研究人員現(xiàn)在正在努力將該技術擴展到“原子化學”：他們計劃使用光脈沖以不會自發(fā)發(fā)生的方式引導鍵的形成和斷裂。
“這項研究的動力非常根本——我們能否創(chuàng)造短脈沖以及我們能用它做什么？” L'Huillier在新聞發(fā)布會上說道。“我們需要時間才能開始看到在醫(yī)學、半導體行業(yè)和化學領域的應用。”
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