三重奏因瞬间瞥见超高速旋转的电子世界而获得诺贝尔物理学奖

三重奏因瞬间瞥见超高速旋转的电子世界而获得诺贝尔物理学奖。鸣谢:瑞典皇家科学院

（蜘蛛网eeook.com）据美联社（大卫·基顿和迈克·科德）：三名科学家周二获得了诺贝尔物理学奖，因为他们让我们第一次在瞬间看到了超高速旋转电子世界，这个领域有朝一日可能会导致更好的电子学或疾病诊断。

该奖项授予了法裔瑞典物理学家安妮·卢惠利耶、法国科学家皮埃尔·阿戈斯蒂尼和匈牙利出生的费伦茨·克劳斯，以表彰他们对围绕中心运转的每个原子的微小部分的研究，这些微小部分几乎是一切事物的基础:化学、物理、我们的身体和我们的小装置。

专家表示，电子移动速度如此之快，以至于人类无法隔离它们，但通过观察可能的最微小的一秒，科学家现在可以对它们有一个“模糊”的了解，这开启了全新的科学。

诺贝尔委员会成员马茨·拉尔森说:“电子速度非常快，电子真的是无处不在的劳动力。”"一旦你能控制和理解电子，你就向前迈进了一大步."

瑞典隆德大学的L'Huillier是第五位获得诺贝尔物理学奖的女性。

“对于所有的女性，我说如果你有兴趣，如果你对这种类型的挑战有一点点激情，那么就去吧，”她告诉美联社。

科学家们分别工作，使用越来越快的激光脉冲来捕捉以如此令人眩晕的速度发生的原子活动——五分之一秒，称为阿秒——就像摄影师使用快速快门捕捉蜂鸟进食的方式。

2023年10月3日，周二，诺贝尔物理学奖得主安妮·卢利耶在瑞典隆德大学与记者交谈。诺贝尔物理学奖授予了皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·卢惠利耶，以表彰他们在极短的时间内观察到了原子中的电子。图片来源:Ola Torkelsson/TT新闻社

诺贝尔委员会主席伊娃·奥尔森说:“让我们花一秒钟，也就是一次心跳的时间。”要得到阿秒的范围，就必须除以1000的6倍。

诺贝尔委员会成员、物理学家马克·皮尔斯说:“138亿年前宇宙大爆炸以来，一秒钟内有多少秒钟，就有多少秒钟。”

但是即使科学家“看到”了电子，他们也只能看到这么多。

“你可以看到它是在分子的一边还是在另一边，”65岁的L'Huillier说。“还是很模糊。”

“电子更像波，像水波，而不是粒子，我们试图用我们的技术测量的是波峰的位置，”她补充道。

物理学家安妮·卢惠利耶在这张2014年10月8日的照片中说话。2023年10月3日星期二，诺贝尔物理学奖被授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·卢惠利耶，以表彰他们在极短的时间内观察原子中的电子。来源:TT通讯社，档案

“电子是关键，因为那是“原子如何结合在一起的，”L'Huillier说。这是化学反应发生的地方。

克劳斯在新闻发布会上说:“即使我们看不见，电子也在我们的生活中无处不在——我们的生物生活和技术生活中，在我们的日常生活中。”“在我们的生物生活中，电子形成了原子之间的粘合剂，它们与原子一起形成分子，而这些分子则是每一个活生物体的最小功能建筑材料。”

克劳斯说，如果你想了解它们是如何工作的，你需要知道它们是如何运动的。

目前，这门科学是关于理解我们的宇宙，但希望它最终能在电子学、诊断疾病和基础化学方面有实际应用。

L'Huillier说，她的工作表明，不管未来的应用，从事基础科学研究是多么重要:在可能的现实世界应用变得更加明显之前，她花了30年的时间。

2023年10月3日，星期二，在斯德哥尔摩皇家科学院，皇家科学院常任秘书汉斯·埃利格伦(中)与成员伊娃·奥尔森(右)和马茨·拉尔森一起宣布2023年诺贝尔物理学奖得主。诺贝尔物理学奖授予了皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·卢惠利耶，以表彰他们在极短的时间内观察到了原子中的电子。鸣谢:安德斯·维克伦德/TT新闻社通过美联社

安妮·卢维利耶、费伦茨·克劳斯和皮埃尔·阿戈斯蒂尼是什么反应？

当她接到中奖的电话时，她正在隆德大学给大约100名本科生讲授基础工程物理，但她的电话处于静音状态，她没有接电话。她在休息时检查了一下，然后给诺贝尔委员会打了电话。

然后她又回去教书了。

“我非常集中，忘记了诺贝尔奖，并试图完成我的演讲，”她告诉美联社。她提前下课，这样她就可以在斯德哥尔摩的瑞典皇家科学院宣布获奖的新闻发布会上发言。

“这是最有声望的，我很高兴获得这个奖。这太不可思议了，”她在新闻发布会上说。“如你所知，没有多少女性获得过这个奖项，所以它很特别。”

诺贝尔组织在社交媒体上发布了一张L'Huillier将手机放在耳边的照片。

2023年10月3日，星期二，科学家费伦茨·克劳斯在德国慕尼黑马克斯·普朗克量子光学研究所获得诺贝尔物理学奖后发表演讲。诺贝尔物理学奖授予了皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·卢惠利耶，以表彰他们在极短的时间内观察到了原子中的电子。鸣谢:美联社图片/马蒂亚斯·施拉德

“敬业老师警报！”前Twitter的X上的帖子说。"即使是2023年诺贝尔物理学奖也不能把安妮·卢惠利耶从她的学生身边夺走."

L'Huillier说，因为当时这个奖是一个秘密，她不被允许告诉学生发生了什么，但她说他们是猜的。

阿戈斯蒂尼是俄亥俄州立大学的名誉教授，在诺贝尔委员会向全世界宣布他的获奖之前，他在巴黎，无法联系到诺贝尔委员会。

“我还没有接到委员会的电话。也许这不是真的。我不知道，”他笑着告诉美联社。“我想委员会正在哥伦布找我。”

这位82岁的老人开玩笑说:“肯定有比我更年轻的人会欣赏它。”。"很好，但对我来说有点晚了。"

但是，他补充说，“我不认为我应该更早得到它！”

2015年10月22日，匈牙利物理学家费伦茨·克劳斯在德国慕尼黑拍照。2023年10月3日星期二，诺贝尔物理学奖被授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·卢惠利耶，以表彰他们在极短的时间内观察原子中的电子。信用:Tamas Kovacs/MTI via AP，文件

马克斯·普朗克量子光学研究所和慕尼黑路德维希·马克西米利安大学的克劳斯对记者说，他对此感到困惑。

这位61岁的老人说:“从上午11点开始，我就一直试图弄清楚……我是在现实中，还是只是一个长长的梦。”。

诺贝尔委员会的电话说“没有来电显示”，克劳斯通常不接这些电话，但这一次，他说，“我想我会尝试一下，然后很明显，我不能这么快挂断电话。”

去年，Krausz和L'Huillier因为他们的工作与渥太华大学的科学家Paul Corkum分享了著名的沃尔夫物理学奖。诺贝尔奖仅限于三位获奖者，克劳斯说没有考克姆是一个遗憾。

克劳斯说，考克姆是如何测量瞬间激光闪光的关键，这是至关重要的。

诺贝尔奖奖金为1100万瑞典克朗(100万美元)，来自诺贝尔奖创始人、瑞典发明家阿尔弗雷德·诺贝尔的遗产。

物理学奖是在两名科学家获得诺贝尔医学奖的一天后颁发的，他们的发现使得制造抗新冠肺炎病毒的mRNA疫苗成为可能。

诺贝尔委员会宣布:

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

美国俄亥俄州立大学哥伦布分校

费伦茨·克劳斯

德国慕尼黑大学马克斯·普朗克量子光学研究所

安妮·卢惠利耶

瑞典隆德大学

“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”

三位2023年诺贝尔物理学奖获得者因他们的实验而获得认可，这些实验为人类探索原子和分子内部的电子世界提供了新的工具。皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·卢维利耶展示了一种产生超短光脉冲的方法，这种方法可以用来测量电子移动或改变能量的快速过程。

快速移动的事件被人类感知时会相互融合，就像一部由静止图像组成的电影被感知为连续的运动。如果我们想调查真正短暂的事件，我们需要特殊的技术。在电子世界中，变化发生在十分之几个阿秒内——阿秒是如此之短，以至于一秒内的变化与宇宙诞生以来的秒数一样多。

获奖者的实验产生了非常短的光脉冲，以至于可以在阿秒内测量，从而证明了这些脉冲可以用于提供原子和分子内部过程的图像。

1987年，Anne L'Huillier发现，当她通过惰性气体传输红外激光时，会产生许多不同的光。每个泛音都是一个光波，在激光的每个周期中有给定的周期数。它们是由激光与气体中的原子相互作用引起的；它给一些电子额外的能量，然后以光的形式发射出去。安妮·卢惠利耶继续探索这一现象，为后来的突破奠定了基础。

2001年，皮埃尔·阿戈斯蒂尼成功地产生并研究了一系列连续的光脉冲，其中每个脉冲仅持续250阿秒。与此同时，费伦茨·克劳斯正在进行另一种实验，这种实验可以分离出持续650阿秒的单个光脉冲。

这些获奖者的贡献使得对以前不可能跟踪的快速过程的研究成为可能。

“我们现在可以打开电子世界的大门了。阿秒物理学让我们有机会理解由电子控制的机制。诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森说:“下一步将会利用它们。

在许多不同的领域都有潜在的应用。例如，在电子学中，理解和控制电子在材料中的行为是很重要的。阿秒脉冲也可以用于识别不同的分子，例如在医学诊断中。

通过他们的实验，今年的获奖者创造了足够短的闪光来捕捉电子极快的运动。安妮·卢惠利耶发现了激光与气体中原子相互作用的新效应。皮埃尔·阿戈斯蒂尼和费伦茨·克劳斯证明了这种效应可以用来产生比以前更短的光脉冲。

一只小小的蜂鸟每秒钟可以拍打80次翅膀。我们只能感觉到这是一种呼呼的声音和模糊的运动。对于人类的感官来说，快速的运动模糊在一起，极短的事件是不可能观察到的。我们需要使用技术技巧来捕捉或描绘这些非常短暂的瞬间。

高速摄影和闪光灯使得捕捉感觉现象的详细图像成为可能。一张高度聚焦的蜂鸟战斗照片需要的曝光时间比一次翅膀扇动要短得多。

事件发生得越快，如果要捕捉瞬间，照片就需要拍得越快。

同样的原则适用于所有用于测量或描述快速过程的方法；任何测量都必须比所研究的系统经历显著变化的时间更快，否则结果是模糊的。今年的获奖者进行了实验，展示了一种产生光脉冲的方法，这种光脉冲足够短暂，可以捕捉原子和分子内部过程的图像。

原子的自然时间尺度短得令人难以置信。在一个分子中，原子可以在十亿分之一秒(飞秒)的百万分之一秒内移动和转动。可以用激光产生的最短脉冲来研究这些运动——但是当整个原子运动时，时间尺度由它们的大而重的原子核决定，与轻而灵活的电子相比，它们的速度非常慢。

当电子在原子或分子中运动时，它们运动得如此之快，以至于变化在一飞秒内就变得模糊不清了。在电子世界中，位置和能量以1到几百阿秒的速度变化，其中阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一。

阿秒是如此之短，以至于一秒钟内它们的数量与138亿年前宇宙诞生以来的秒数相同。在一个更相关的尺度上，我们可以想象一束光从房间的一端发送到对面的墙上——这需要100亿阿秒。

飞秒长期以来被认为是可能产生的光的极限。

改进现有的技术还不足以看到在电子惊人的短暂时间尺度上发生的过程；需要一些全新的东西。今年的获奖者进行的实验开辟了阿秒物理学的新研究领域。

光由波组成——电场和磁场中的振动——它在真空中的运动速度比其他任何东西都快。这些有不同的波长，相当于不同的颜色。例如，红光的波长约为700纳米，是一根头发宽度的百分之一，它以每秒43000亿次的速度循环。我们可以把最短的光脉冲想象成光波中一个周期的长度，这个周期是光波上升到一个波峰，下降到一个波谷，然后回到起点。在这种情况下，普通激光系统使用的波长永远无法低于飞秒，因此在20世纪80年代，这被视为最短可能的光突发的硬限制。

描述波浪的数学表明，如果使用足够多的正确大小、波长和振幅(波峰和波谷之间的距离)的波浪，任何波形都可以形成。阿秒脉冲的诀窍在于，通过组合更多和更短的波长，有可能产生更短的脉冲。

在原子尺度上观察电子的运动需要足够短的光脉冲，这意味着要结合许多不同波长的短波。

为了给光增加新的波长，需要的不仅仅是激光；获得所研究的最短瞬间的关键是激光穿过气体时出现的一种现象。光与其原子相互作用并产生泛音——在原始波的每个周期中完成多个完整周期的波。我们可以把它与赋予声音特殊特性的泛音相比较，让我们听出吉他和钢琴演奏的同一个音符之间的不同。

1987年，Anne L'Huillier和她的同事在法国的一个实验室里，用一束穿过惰性气体的红外激光束，产生并演示了泛音。红外光

比之前实验中使用的波长更短的激光产生了更多更强的泛音。在这个实验中，观察到了许多光强大致相同的泛音。

在一系列的文章中，L'Huillier在20世纪90年代继续探索这种效应，包括在她的新基地Lund大学。她的结果有助于对这一现象的理论理解，为下一步的实验突破奠定了基础。

当激光进入气体并影响其原子时，它会引起电磁振动，从而扭曲将电子保持在原子核周围的电场。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它的原子核。在电子的漂移过程中，它从激光的电场中收集了大量额外的能量，为了重新附着到原子核上，它必须以光脉冲的形式释放出多余的能量。这些来自电子的光脉冲产生了实验中出现的泛音。

光的能量与其波长有关。发出的泛音中的能量相当于紫外光，其波长比人眼可见的光要短。因为能量来自激光的振动，泛音的振动将与原始激光脉冲的波长成正比。光与许多不同的原子相互作用的结果是具有一组特定波长的不同光波。

一旦这些泛音存在，它们就会相互影响。当光波的波峰重合时，光会变得更强，但当一个周期的波峰与另一个周期的波谷重合时，光会变得不那么强。在适当的情况下，这些谐波会重合，因此会产生一连串的紫外光脉冲，每个脉冲都有几百阿秒长。物理学家在20世纪90年代理解了这背后的理论，但实际识别和测试脉冲的突破发生在2001年。

皮埃尔·阿戈斯蒂尼和他的法国研究小组成功地产生并研究了一系列连续的光脉冲，就像一列有车厢的火车。他们使用了一种特殊的技巧，将“脉冲序列”与原始激光脉冲的延迟部分放在一起，以观察泛音如何彼此同相。这个过程也给了他们一个测量序列中脉冲持续时间的方法，他们可以看到每个脉冲只持续了250阿秒。

与此同时，奥地利的Ferenc Krausz和他的研究小组正在研究一种可以选择单个脉冲的技术——就像一节车厢从火车上分离并切换到另一条轨道上。他们成功分离的脉冲持续了650阿秒，该小组用它来跟踪和研究电子从原子中脱离的过程。

这些实验证明阿秒脉冲是可以观察和测量的，而且它们也可以用于新的实验。

现在阿秒世界已经变得触手可及，这些短暂的光爆发可以用来研究电子的运动。现在有可能产生低至几十阿秒的脉冲，而且这项技术一直在发展。

阿秒脉冲使得测量一个电子从一个原子中被拉出来所需要的时间成为可能，并且检查这个时间是如何依赖于电子与原子核结合的紧密程度的。有可能重建电子的分布如何在分子和材料中从一边到另一边或从一个地方到另一个地方振荡；以前，他们的位置只能作为一个平均值来衡量。

阿秒脉冲可以用来测试物质的内部过程，并识别不同的事件。这些脉冲已被用于探索原子和分子的详细物理，它们在从电子到医学的领域都有潜在的应用。

例如，阿秒脉冲可以用来推动分子，分子会发出可测量的信号。来自分子的信号有一种特殊的结构，一种可以显示它是什么分子的指纹，其可能的应用包括医学诊断。