科学家利用超快激光拍摄自然界最快的现象

通过观察光在阿秒级尺度上与物质的相互作用，科学家现在能够看到强大的激光如何改变物质内部的量子能级。这一突破为闪电般快速的计算、精确的材料控制，甚至观察运动中的电子的新方法打开了大门，为应用技术和基础物理学开辟了新领域。

瞬间将一种材料从不透明变为透明，或从导体变为绝缘体，听起来可能像科幻小说，但它很快就会成为现实。近年来，科学家们利用激光以极快的速度控制物质的特性，只需一个光波周期。然而，这些变化发生在阿秒时间尺度上（十亿分之一秒的十亿分之一），因此很难观察到。

现在，在《自然光子学》杂志发表的一项研究中，魏茨曼科学研究所的 Nirit Dudovich 教授及其团队开发出了一种突破性的方法来追踪这些超快的物质变化。这一阿秒科学（探索自然界中最快的过程的领域）的进步可能为超快计算和下一代通信等技术打开新的大门。

Omer Kneller 博士（左）和 Chen Mor 在激光束进入实验装置前对其进行引导。该实验需要强大的激光束，能够产生极短的阿秒光脉冲。图片来源：Noa Yaffe

要理解其原理，不妨想象一下彩虹。当阳光穿过雨滴时，它会减速并弯曲，或折射。不同颜色的光以略有不同的速度穿过雨滴，散开形成彩虹。通常，我们认为玻璃或水等材料以固定的方式折射光。然而，研究人员发现，强大的激光可以改变材料减慢光速的程度，并且可以在极短的时间内做到这一点。

魏茨曼团队提出，如果他们能够测量光穿过材料时激光引起的微小延迟，他们就能准确地揭示激光如何能够实时改变材料的特性。

以阿秒精度追踪材料变化

这种新测量方法的开发由魏茨曼复杂系统物理系杜多维奇实验室的三名研究生 Omer Kneller、Chen Mor 和 Noa Yaffe 领导。

该方法使用两束激光。第一束激光非常强大，由相对较长的脉冲组成，可以改变光在特定材料中经历的光学延迟。另一束激光发射极短的阿秒脉冲，可充当慢动作摄像机。

这些阿秒脉冲有两个副本：一个不与材料相互作用，作为参考；另一个穿过材料，与材料相互作用并记录由这种相互作用引起的阿秒延迟。当两个副本最终结合在一起并相互干扰时，这种干扰使研究人员能够精确地重建光穿过材料时所经历的光学延迟的变化。

（左）Omer Kneller 博士、Nirit Dudovich 教授、Chen Mor 和 Noa Yaffe。图片来源：魏茨曼科学研究所

在量子力学中，材料的性质由其能级决定，能级形成一种能量阶梯。电子可以通过获得或失去恰到好处的能量来上下移动。强大的激光通过改变能级的位置来改变这个阶梯；它可以让两个能级合二为一，也可以将一个能级一分为二。

就像 Waze 等导航应用可以预测从 A 点到 B 点的旅程需要多长时间一样，新方法通过测量阿秒脉冲所经历的延迟来重建电子在不同能级之间行进的路线。反过来，分析电子的旅程可以让研究人员了解材料中的能级如何响应激光而发生变化。起初，科学家们使用这种方法来了解激光如何改变单个原子的性质。然而，他们也提出了理论计算，表明他们的新方法可用于揭示光与更复杂材料之间的相互作用。

“一旦我们能够追踪单个电子在能级之间的‘旅程’，我们就可以利用光在数百甚至数十阿秒内精准地控制材料的特性，”杜多维奇说。“这种能力可能会导致开发出最快的处理器，从而大大提高数据传输或处理的速度。我们的新方法也对基础研究产生了影响：我们希望它能帮助我们创建运动电子的快照，揭示各种以前无法接近的量子现象。”

编译自/ScitechDaily