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(shí)和技術(shù)與新應(yīng)用，為響應(yīng)國家號(hào)召，北京卓立漢光儀器有限公司積極承擔(dān)社會(huì)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(jì)36篇，深入剖析前沿科技，為讀者帶來專業(yè)而豐富的知識(shí)盛宴，為廣大科研工作者提供一個(gè)交流與學(xué)習(xí)的平臺(tái)。

首篇《名家專欄》激光物理系列專欄，榮幸地邀請(qǐng)到了中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)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(shí)分享。

《名家專欄》第一期：人物介紹

曾志男，上海光機(jī)所研究員，其團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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(qiáng)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(jiǎng)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(fèi)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法，從而用于研究物質(zhì)中的超快電子動(dòng)力學(xué)。

時(shí)間的精確測(cè)量是實(shí)驗(yàn)科學(xué)的核心，將計(jì)時(shí)觀測(cè)擴(kuò)展到更短的時(shí)間尺度是實(shí)時(shí)觀測(cè)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(dòng)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(dòng)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?yàn)槠涓径际莵碜噪娮舆\(yùn)動(dòng)，例如分子內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)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(cè)新材料中的電子和空穴之間的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)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(jì)量學(xué)為原子、分子和固體中迄今為止難以測(cè)量的快速電子現(xiàn)象提供了途徑，是測(cè)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(yùn)動(dòng)——原子系統(tǒng)中的電子動(dòng)力學(xué)——得以被捕獲。如果我們想觀測(cè)微觀的原子分子，一個(gè)好的辦法是用激光脈沖去照射微觀的粒子，然后觀測(cè)這些微觀粒子的行為。原子系統(tǒng)中電子的運(yùn)動(dòng)速度實(shí)在太快了，繞原子核一圈通常只需要百阿秒量級(jí)的時(shí)間。這就要求科學(xué)人員在給原子"拍照"的時(shí)候需要使用超快的阿秒量級(jí)的"閃光燈"，這種"閃光燈"就是阿秒激光。

電場(chǎng)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(cè)技術(shù)，既可以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行精確的阿秒計(jì)量，又可以實(shí)時(shí)探測(cè)在光信號(hào)上留下的各種電子過程信息。阿秒電子條紋相機(jī)記錄條紋光譜圖，可以測(cè)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(chǎng)作為探針，可以提供對(duì)激發(fā)原子中多電子弛豫過程的實(shí)時(shí)觀測(cè)，例如級(jí)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(duì)標(biāo)于電子運(yùn)動(dòng)的時(shí)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(gè)阿秒時(shí)間分辨研究是使用阿秒條紋相機(jī)對(duì)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(shí)間比那些來自導(dǎo)帶離域電子延遲了約 100 阿秒。對(duì)于單晶鎂，來自核芯能級(jí)和價(jià)帶態(tài)的光電子則同時(shí)到達(dá)表面，實(shí)驗(yàn)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(cè)等離子體（金）納米局域電場(chǎng)振蕩，為空間和時(shí)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(hào)處理的極限。

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

電子信號(hào)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(chǎng)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(shí)間 τcharging 造成的；另一個(gè)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(duì)互連線充電和傳輸信號(hào)時(shí)。對(duì)于長(zhǎng) (~5 mm) 互連，每個(gè)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(shí)鐘速率由長(zhǎng)互連決定，而每個(gè)晶體管每個(gè)開關(guān)的平均能量由典型 (~500 μm) 互連決定，并且要小一個(gè)數(shù)量級(jí) (Qswitch ≈ 0.1 fJ)。 這給出了每個(gè)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(duì)將當(dāng)前的數(shù)字電子產(chǎn)品擴(kuò)展到更高的時(shí)鐘速率和晶體管數(shù)量構(gòu)成了另一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)(Nature Photonics, vol 8, March 2014, 208)。

可逆強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)在信號(hào)處理中的實(shí)用性在未來可能得到驗(yàn)證，其帶寬在原始實(shí)驗(yàn)中約為 0.2 PHz（200GHz）。最近，能夠測(cè)量光波形的固態(tài)太赫茲帶寬示波器已成為現(xiàn)實(shí)。

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

阿秒物理學(xué)：未來

受控光場(chǎng)和阿秒測(cè)量技術(shù)有助于推動(dòng)未來數(shù)字電子產(chǎn)品的速度前沿。對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的直接時(shí)域測(cè)量對(duì)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(yùn)作也至關(guān)重要。這些知識(shí)涉及高度復(fù)雜系統(tǒng)中非常復(fù)雜的電子過程，將對(duì)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(yùn)動(dòng)，科研人員必須進(jìn)入渺秒（或10-21秒）領(lǐng)域。