世界最快激光脈衝定格超速運行電子原子
世界最快激光脈衝定格超速運行電子原子
新浪科技訊 香港時間10月24日消息，據物理學家組織網報導，世界最快的激光脈衝能夠定格正在超速運行的電子和原子，美國亞利桑那大學的物理學家利用這種脈衝已經捕捉到分子分裂、電子從原子裡逃逸出來的動態畫面。他們的研究有助於我們更好地瞭解分子過程，並最終在很多可能的應用中控制它們。
1878年，當時的一系列照片立刻解決了一個長期存在的謎題：是不是正在飛奔的馬始終都有一部分身體接觸到地面？結果証明不是。愛德華-穆布里奇在賽馬跑道旁拍攝的這一系列圖片，標誌著高速攝影時代的開始。大約134年後，亞利桑那大學物理學系的研究人員解決了一個類似的謎題，這次是一個超速運行的氧分子取代了馬，超快、高能激光脈衝取代了穆布里奇的感光乳劑板。阿爾文-桑德胡及其科研組利用持續時間僅為0.0000000000000002秒的極端紫外線光脈衝，設法定格氧分子在很短時間內被高能擊中後產生的超速動作。由於科學家正在試著從電子級別更好地瞭解量子過程，甚至最終控制這一過程，設計出新的光源，組合出新分子，或者是設計出新型超速電子元件，以及無數其他可能的發明，因此觀察原子和分子裡發生的極短事件變得越來越重要。
雖然桑德胡的科研組在產生世界最短光脈衝方面，並不是世界紀錄保持者，但他們是最先把這些當做工具，用來解決很多懸而未決的科學問題的人。該科研組的最新成果，是展示氧分子在吸收過多能量而無法保持兩個原子之間的穩定性後，突然裂開的實時快照系列。該研究成果發表在《物理評論快報》上。揭開這麼短時間內的分子過程，有助於科學家更好地瞭解地球大氣層里的臭氧形成和被摧毀背後的微觀動態。桑德胡把這一原理比喻成是設法給快速飛向擊球手的棒球拍照。他說：“如果我們利用常規相機，拍到的照片會非常模糊，或者棒球根本顯示不出來。但是我們想很詳細地研究這個球，它的表面、它的縫合線，以及在任何特定時間它的確切位置。要做到這些有兩種方法。你可以製造一個擁有很快快門，能夠在球做任何運動前迅速開啟和關閉的相機。或者利用稱之為動態鏡檢查(Stroboscopy)的技術，你用光照射這個棒球很短時間，並在這個時間內給它拍照。”
但是用原子或者電子取代棒球時，這種類比是不成立的。因為微觀物體的運行速度非常非常快，利用機械或者電子元件根本捕捉不到它們。桑德胡稱，定格原子級別的動作的唯一方法，就是利用持續時間只有幾毫微微秒或者阿秒(比毫微微秒短1000倍)的光脈衝。舉例說明這種光脈衝的持續時間，就是1阿秒相對於1秒，相當於1秒相對於宇宙的年齡。為了產生阿秒時長的光爆，必鬚髮出持續時間只有毫微微秒的強烈激光脈衝。桑德胡實驗室採用的毫微微秒激光脈衝釋放的能量是1太瓦，相當於整個美國的電力網，只是前者持續時間非常短暫。雖然毫微微秒激光脈衝足以分辨分子運動，例如我們眼睛里的視紫紅質，它們能在200毫微微秒內改變結構，對進入眼睛的光子做出響應，但是毫微微秒激光脈衝在捕捉更亮、運行速度更快的電子運動時，並不用“切開”它。
桑德胡實驗室的研究生尼蘭加-施瓦倫說：“我能在激光脈衝產生的強電場環境下，實時研究氦的原子結構發生了什麼變化。”桑德胡科研組把這項有關阿秒電子動力學的突破性研究的成果，發表在早些時候的《物理評論快報》上。在他們的最新研究中，該科研組已經解決一個長期存在的爭論，即被高能光子擊中後，氧原子分裂需要1100毫微微秒。以前對這一現象的測量結果存在很大不同，最大相差100倍。這項研究的另一個創新之處，是它為測量電子擺脫超受激原子需要多長時間提供了方法。迄今為止這一過程只進行了理論模擬。桑德胡的科研組發現，這種自發電子發射發生在大約90毫微微秒內。他解釋說：“我們經常假設，如果你把足夠多的能量輸入到一個分子裡，就能迫使電子掙脫它的束縛。但是我們通過研究觀察到，分子把過剩能量轉移給周圍的其他電子和附近的原子，試圖與它們分享能量，保住它的電子，直到它突然分裂的最後一刻。”
研究生、這篇論文的第一作者亨利-提莫斯應用阿秒激光研究氧分子的動態。他說：“我們對受激分子的物理性質瞭解的不多，這是因為它們很難用數學方法進行模擬。你促使氧分子達到這種高能狀態時，它有多種途徑可以用來釋放過剩能量。我們能夠對每條路徑進行單獨分析，並分析電子脫離原子時會出現什麼情況。”據桑德胡說，追蹤分子、原子和電子的運動，對瞭解天然或人造物體的物理及化學過程非常重要。他解釋說：“高能紫外線持續轟擊我們的大氣層，刺激它裡面的分子。導致這些分子分裂成過激原子，這促使臭氧形成或分解。這些現象對瞭解上層大氣的化學性質有分歧。能夠測量最短時間段內分子內的電子和原子的動態，對我們更好地瞭解這些分子的基本相互作用有幫助。不過更重要的是，它將為我們提供控制或改變這些原子或分子的動態性質的方法，因為現在我們已經擁有一種光脈衝，它能對實時運動產生影響。我們不再只是在這些現象發生後，才開始研究它們之間的相互作用。事實上我們正在設法瞭解這種互動，併力求控制它，例如控制某一方向的化學反應。”
迄今為止產生的最短激光脈衝持續67阿秒。據桑德胡說，就連持續時間更短的“仄普托秒”激光脈衝也並非不可能產生，但是現在阿秒是人們關注的焦點。他說：“我們正在研究阿秒，是因為我們想瞭解比分子運動更快的過程。影響我們的生活的實際方面和我們身邊的技術，都受到電子和電子運動的制約。未來我們感興趣的問題，是很多電子彼此結合在一起，結果會出現什麼情況？現在這方面的試驗具有很大挑戰性，理論性模擬根本不可能實現。這也是我們擁有高能和短時解像度的原因。事實上現在我們已經能夠實時查看這些過程。”(秋淩)
圖1.由阿爾文-桑德胡(右)領導的烏克蘭物理學家利用世界上最快的激光脈衝，拍攝化學反應等超快過程的快照
圖2. 愛德華-穆布里奇的著名“飛奔的馬”標誌著高速攝影時代的開始。桑德胡說：“其實我們遵循的原理與之相同，只是採用了現代技術。”
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