先秦时期老庄之学的重要思想“至大无外，至小无内”——阐明了古人对世界的认知，认为宇宙无限大而微小粒子无限小。科技发展至今，人类对这两个维度的探索从未停止脚步，并想掌握世界万物的运动规律。

什么是阿秒？

中国科学院西安光学精密机械研究所（简称“西安光机所”）助理研究员黄沛说：“如今，对于微观世界，空间分辨率已经可以达到原子分子尺度，其对应的运动特征时间也达到了超快的飞秒（femtosecond，10-15秒）量级，目前比较成熟的飞秒脉冲激光已经能够探测分子间运动，使其不再神秘。但分子内部的电子运动，其动力学过程发生在更快的阿秒（attosecond，10-18秒）量级。”

电子早在19世纪便由剑桥大学的约瑟夫·约翰·汤姆森在实验中发现，距今百余年，由于运动速度过快，其运动过程仍无法直接探测，长期以来只能以电子云的概念来描述它在原子核外空间某处出现的几率大小。电子云模型能够很好地解释化学键的形成与断裂、原子吸收与发射光子的光谱以及原子的性质等现象，并且符合量子力学原理，但在解释很多微观粒子运动规律时出现了障碍，需要发展更为准确的模型。

今年，诺贝尔物理学奖颁发给“阿秒激光”，其原由为促进了物质中电子动力学的研究，阿秒激光的研制成功，首次将探索世界的时间尺度推进到阿秒量级，人类第一次可能拥有直接测量电子动力学行为的工具。

阿秒是什么概念？

西安光机所助理研究员雷冰莹介绍说：“阿秒仅仅为10-18秒，如果说光从地球跑到月球的时间大约需要1秒，而在1阿秒时间内，光只能传输0.3纳米，约为头发丝直径的二十万分之一。”

在1阿秒时间内，光只能传输0.3纳米。

今年获奖的三位科学家，美国科学家皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），匈牙利科学家费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和法国科学家安妮·吕利耶（Anne L’Huillier）在实验上为阿秒激光的产生做出了巨大贡献。

今年获得诺贝尔物理学奖的三位科学家。

女科学家安妮·吕利耶在博士期间就一直在研究多光子电离效应，并在1988年，30岁之前就发表了获得诺贝尔奖的关键论文，发现了强激光照射惰性气体产生高次谐波的现象，并获得了高次谐波典型的频谱结构，其谱宽已经能够支持阿秒量级的脉冲，为激光脉冲突破至阿秒提供了先决性条件。

在高次谐波发展十余年后，皮埃尔·阿戈斯蒂尼于2001年利用高次谐波并结合RABBIT技术（双光子干涉的阿秒拍频重构），实现了一系列脉冲间距为1.35 fs、脉冲宽度仅为250 as阿秒脉冲的产生与测量，称为阿秒脉冲串。

而在同一年，费伦茨·克劳斯利用更短的飞秒驱动光来产生高次谐波连续谱，并利用阿秒条纹相机技术首次产生并测量了孤立的阿秒脉冲。

至此，阿秒激光时代正式来临。

高次谐波、阿秒脉冲串与阿秒脉冲之间的关系。

国内外进展——阿秒研究的前世今生

诺贝尔奖只颁给了上述三位科学家，但仍有不少学者在初期做出贡献。 

早在1987年，A. McPherson等人在实验上测量了惰性气体中的高次谐波，是最早公开发表高次谐波现象的论文。同年，M. Yu. Kuchiev等提出了“原子天线”的理论解释，认为电子在母核附近往返振荡发射谐波，其物理图像类似于天线。

1992年，J. L. Krause，K. J. Schafer和K. C. Kulander提出了高次谐波过程的重碰撞图像，称之为simple-man模型，考虑电子在激光场中的经典运动，并由此得出谐波的最高截止能量。

2022年获得沃尔夫物理学奖的加拿大科学家Paul Corkum在1993年提出了半经典的三步模型，在一个经典的重碰撞图像中，高次谐波过程分为以下三步：首先，电子隧穿离开由原子库仑场和激光场共同形成的势垒，随后电子在激光场作用下加速并获得能量。随着激光场方向的改变，电子有一定机会返回母核并被俘获，以高能光子的方式释放出多余的能量产生谐波，三步模型很直观地描述了高次谐波的产生过程，而Corkum也成为了本次诺贝尔物理学奖的最大遗珠。

对高次谐波过程的定量描述，则需要借助量子力学。基于强场近似的详细量子理论于1994年由M. Lewenstein等人给出，通常被称作强场近似或者Lewenstein模型。实际上，强场近似的思想来自于早先对强激光场中原子和固体电离的研究，在1965年由L. Keldysh首次提出，随后被F. H. M. Faisal和H. R. Reiss进行了拓展。直到今天，Keldysh参数都是阿秒领域研究人员非常熟悉的一个重要参数，用以判断激光参数是否能够达到阿秒脉冲产生的要求，不幸的是L. Keldysh已于2016年去世。Lewenstein模型完全从量子力学出发，得到了前述三个过程的对应理论描述，验证并夯实了三步模型的理论基础。至此，该模型被广泛接受并得到了充分发展，成为产生阿秒脉冲的高次谐波过程的标准模型。

国内外阿秒研究的时间线对比。（图片均由西安光机所提供）

“我国阿秒激光的研究总体起步较晚，一直处于追赶状态，但近些年有显著进展，相关研究也进入了国际先进水平。 ”黄沛说。

2013年，中国科学院物理研究所实现了160 as的孤立阿秒脉冲。此后，华中科技大学和国防科技大学在2020年相继实现了272 as、88 as的孤立阿秒脉冲。

2019年，中国科学院西安光机所自主研制了高能量分辨阿秒条纹相机，产生和测量了159 as的孤立阿秒脉冲，并在2021年产生了更短的75 as孤立阿秒光脉冲，刷新了国内的阿秒脉冲纪录。

此外，国内研究机构包括中国科学院上海光机所、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、北京大学、华东师范大学、吉林大学、南京理工大学、中国科学院近代物理研究所、西北师范大学等在阿秒激光理论以及应用方面都有重要成果报道。

当前，超快激光技术正朝着更高脉冲能量、更高平均功率、更窄脉冲宽度的目标发展。未来，激光脉冲宽度将从阿秒（as）缩短至仄秒（zs），光子能量将推进至硬X射线和伽马射线波段。“此外，阿秒激光能量太低，是限制其应用的最主要原因，在可预测的未来，超快激光领域再次获诺贝尔奖将从高能量阿秒新机理、阿秒应用以及下一个量级的仄秒脉冲中产生。”雷冰莹说。

2021年Science发布的“全世界最前沿的125个科学问题”中有十余个问题需要通过超快科学探索解决。例如，复杂激光场中的多体量子相互作用；超导机制--电子库珀对的形成；太阳能电池的光转换--电荷转移激子解离过程；生物分子之间的电荷转移过程；实现PHz开关，将现有的电路响应速度提高100000倍以上等，上述问题都直接与电子动力学相关。

阿秒脉冲将有望在多个科学和应用研究领域涌现出众多原始创新。当前，国际上已经开始阿秒激光设施的建设和竞争，由诺贝尔物理奖获得者Gérard Mourou等人倡导，欧盟率先开展了欧洲极端光设施-阿秒光源（ELI-ALPS）的建设，并推动了欧洲相关激光公司的技术跨代升级。