为什么说“打开电子世界的大门”如此重要？首先，让我们来探讨为何要研究电子动力学，以及如何研究电子动力学。
电子的世界
图3.原子组成分子，原子或分子再进一步构成宏观物质[2]
图4.电子跃迁过程示意图[6]
为解答上述问题，先考虑一个日常例子，如图5所示。夏天时，吊扇逆时针旋转，将空气吹向下方，带来凉爽感；冬天时，它顺时针旋转，将空气吹向上方，起到保温作用。因此，我们可以通过观察室内吊扇旋转方向来确定当前是逆时针（“夏天”）还是顺时针（“冬天”）。凭肉眼观察，吊扇的快速旋转使其方向难以判定。然而，使用高速摄像机，我们可以捕捉到这一细节并确定其旋转方向，从而得知季节。
图5.利用高速摄像机观测吊顶风扇的转向[7]
2023年度诺贝尔物理奖主要贡献正是产生阿秒光脉冲。
阿秒脉冲的产生
图6.超快科学的发展[9]
图7.高次谐波谱[16]
图8.阈上电离示意图[8]
到了上个世纪90年代初，在开展ATI的理论研究中，Kulander等人与AnneL’Huillier,KennethSchafer等合作者一起，通过求解麦克斯韦方程组及含时薛定谔方程[16]，提出了所谓的再散射模型解释了HHG[18]，并且给出了计算高次谐波截止频率的公式[17]。
1993年，Kulander在比利时的一个会议上介绍了再散射模型，用该模型解释如何产生约10至120eV的短脉冲HHG[18]。几乎同时，PaulCorkum基于强场原子物理的背景提出了三步模型[19]，该模型详细描述了HHG的产生过程：首先由激光场引发电子的隧道电离；随后，激光场加速电子；最后，当场在下一个周期反向时，电子可能返回离子并重新结合，在该过程中，其动能转化为极紫外(XUV)光子发射出去。Kulander和Corkum的模型是半经典的，1994年，Lewenstein、L’Huiller和Corkum与其他几位合作者进一步提出了一个完整的量子理论，证实了Kulander和Corkum的半经典解释[21]。
图9.三步模型或再散射模型的示意图[1]
图10.RABBIT方法的示意图[12]
该方案是通过多周期的驱动激光产生高次谐波，得到的是一串阿秒脉冲序列。人们还希望能产生单个的阿秒脉冲。在同一时期，Corkum、Burnett与Ivanov提出通过驱动场限制高次谐波在单周期内发射，实现单个阿秒脉冲[26]。另外，Shafer和Kulander也提出了利用cut-off区的谐波来产生单个阿秒脉冲的方案[27]。在实验探索方面，逐渐具有产生单个阿秒脉冲所需的技术准备，比如：维也纳Krausz团队实现了小于5飞秒的放大飞秒激光输出，并开展高次谐波的实验研究，实现了截止能量~300eV的高次谐波谱。米兰的MauroNisoli小组获得了当时最短的光脉冲（4.5飞秒）。
图11.第一次实验产生阿秒序列[30]
图12.第一次实验产生单个阿秒脉冲[31]
阿秒脉冲的应用
阿秒脉冲也被用于揭示固体复杂电子动力学过程，包括电荷转移和电荷屏蔽效应、像电荷产生、电子-电子散射以及集体电子运动等过程。在金属钨的光电离实验中，科学家使用了所谓的泵浦探测技术，其中初始光脉冲用于触发钨的动力学，第二个光脉冲通过光电离探测瞬态过程。研究发现，与来自价带巡游态的光电子相比，来自局域态（4f）的光电子发射会延迟大约100阿秒[40]。
结语
因在实验上产生阿秒脉冲的开创性研究，三位卓越的科学家受到了高度赞誉。这些研究不仅仅是技术上的巨大飞跃，更是人类对自然界深入认识的里程碑。阿秒脉冲已经被广泛用来探测原子和分子中电子的动态行为[41]。科学家对“更微观、更快”的研究和探索从未停止。诺贝尔奖的颁发，不仅仅是对三位科学家辛勤工作的认可，更是对整个超快科学界的鼓舞。它提醒我们，好奇心和对未知世界不断的探索，将引领我们走向新的科学前沿，揭示物质世界更多奥秘。
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编辑：黄飞
原文标题：阿秒脉冲产生和应用——跟踪和控制电子的新技术|2023诺奖解读
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