三位研究人员获得了2024年诺贝尔物理学奖，以表彰他们在利用阿秒长的闪光研究电子方面的开创性工作。这些极短的光脉冲使科学家能够观察到电子的快速运动，特别是在化学键断裂的过程中。
2024年诺贝尔物理学奖表彰了三位研究人员在阿秒光脉冲革命方面的工作加强对电子快速运动的研究，拓宽对物理和化学各个领域的理解。
一个由三名研究人员组成的小组获得了2024年诺贝尔物理学奖，他们的工作彻底改变了科学家研究电子的方式——用阿秒长的闪光照亮分子。但一阿秒有多长?这些极短的脉冲能告诉研究人员关于物质本质的什么信息?
我第一次了解这个研究领域是在我读物理化学研究生的时候。我的博士导师的小组有一个专门研究阿秒脉冲化学反应的项目。在理解为什么阿秒研究能获得科学界最负盛名的奖项之前，我们先来了解一下什么是阿秒光脉冲。
一阿秒有多长?
“Atto”是科学记数法前缀，表示10-18，这是一个小数点后面跟着17个零和一个1。因此，持续1阿秒或0.000000000000000001秒的闪光是一个极短的光脉冲。
事实上，一秒钟的阿托秒数大约和宇宙年龄的秒数一样多。
与一秒相比，一阿秒是非常小的。图片来源:?Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院
此前，科学家们可以用飞秒(10-15)光脉冲来研究较重、运动较慢的原子核的运动。1000阿秒等于1飞秒。但是研究人员无法看到电子尺度上的运动，直到他们能够产生阿秒光脉冲——电子运动太快，科学家们无法准确地分析它们在飞秒水平上的运动。
阿托秒脉冲
原子和分子中电子的重新排列指导着物理学中的许多过程，它实际上是化学的每一部分的基础。因此，研究人员投入了大量的精力来弄清楚电子是如何移动和重新排列的。
然而，电子在物理和化学过程中移动非常迅速，这使得它们很难研究。为了研究这些过程，科学家们使用了光谱学，这是一种研究物质如何吸收或发射光的方法。为了实时跟踪电子，研究人员需要一个比电子重新排列所需时间更短的光脉冲。
泵浦探测光谱是物理和化学中的一种常用技术，可以用阿秒光脉冲进行。
打个比方，想象一下只有1秒左右长曝光时间的相机。运动中的事物，比如一个人跑向相机或一只鸟飞过天空，在拍摄的照片中会显得模糊，很难确切地看到发生了什么。
然后，假设你使用的相机曝光时间为1毫秒。现在，之前被抹去的运动将被很好地分解成清晰而精确的快照。这就是为什么使用阿秒尺度，而不是飞秒尺度，可以解释电子的行为。
阿托秒研究
那么，阿秒脉冲能帮助回答什么样的研究问题呢?
首先，化学键断裂是自然界的一个基本过程，在这个过程中，两个原子之间共享的电子分离成未受束缚的原子。在这个过程中，先前共享的电子经历了超快的变化，阿秒脉冲使研究人员能够跟踪化学键的实时断裂。
产生阿秒脉冲的能力——三位研究人员因此获得了2024年诺贝尔物理学奖——在21世纪初首次成为可能，自那以后，该领域一直在迅速发展。通过提供原子和分子的更短快照，阿秒光谱学帮助研究人员了解单个分子中的电子行为，例如电子电荷如何迁移以及原子之间的化学键如何断裂。
在更大的范围内，阿秒技术也被应用于研究电子在液态水中的行为以及固态半导体中的电子转移。随着研究人员不断提高产生阿秒光脉冲的能力，他们将对构成物质的基本粒子有更深入的了解。
作者:Aaron W. Harrison, Austin学院化学助理教授。
改编自一篇最初发表于The Conversation的文章。
