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　　与半典范模子比拟，更完好地形貌电子动力学的实际办法是从第一道理（Ab initio）动身求解含时薛定谔方程（Time-dependent Schrödinger Equation）

　　与半典范模子比拟，更完好地形貌电子动力学的实际办法是从第一道理（Ab initio）动身求解含时薛定谔方程（Time-dependent Schrödinger Equation）。薛定谔方程的解为电子的波函数（Wavefucntion）。经由过程波函数计较可观察量（Observables），可与尝试中丈量的电子电离谱、高次谐波发生、光吸取谱等比较。

　　作者曾处置阿秒科学的实际研讨，出格是对阿秒瞬时吸取谱的实际事情做出奉献，曾与文中提到的多位科学家有过科研协作。

　　1980年月前期，美国加州理工学院的埃及裔传授Ahmed Hassan Zewail用飞秒激光手艺研讨化学反响历程，创始了飞秒化学范畴提拔拍照手艺，并因而得到1999年诺贝尔化学奖。

　　1980年月中期，法国籍传授Gérard Mourou与他的加拿大籍博士生Donna Strickland在美国的罗切斯特大学发清楚明了啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification）手艺，并因而得到了2018年诺贝尔物理学奖。啁啾脉冲放大是完成高强度飞秒激光脉冲的枢纽手艺之一。啁啾（Chirp）一词本意是鸟的啼声。鸟啼声的音高是随工夫发作变革的影戏拍照师排行榜，也就是声波的振动频次随工夫变革。啁啾脉冲则是指光脉冲内里的电场振动频次随工夫变革。

　　本文受科普中国·星空方案项目搀扶出品：中国科协科普部监制：中国科学手艺出书社有限公司、北京中科银河文明传媒有限公司

　　飞秒激光脉冲普通包罗有多个电场振动周期，每一个振动周期最少不短于1飞秒，对应的波长在红外（Infrared）波段。因而，若要得到时域脉宽短于1飞秒的光脉冲，必需用波长更短也就是光子能量更大的光。高次谐波的光子能量是基频光子能量的数十倍或上百倍，对应的波长在极紫外（Extreme Ultraviolet）波段，电场振动周期远小于1飞秒，因而高次谐波具有得到短于1飞秒的脉冲（即阿秒脉冲）的须要前提。

　　激光自从1960年问世以来就不断被普遍使用于科学手艺的各个范畴。跟着激光手艺的开展，激光脉冲（Pulse）的时域脉宽愈来愈短。以钛宝石晶体（Ti-sapphire）为增益介质，操纵锁模（Mode Locking）手艺可完成飞秒激光脉冲。

　　阿秒光脉冲降生后，多个研讨组接纳泵浦-探测（Pump-probe）办法来研讨原子中电子的动力学。这个办法将飞秒激光脉冲与阿秒光脉冲配合感化于惰性气体，并掌握它们的工夫差。比方，Ferenc Krausz组初次在时域上探测氪（Kr）原子内壳层电子电离过程当中的俄歇效应（Auger Effect）。除观察电离产品，另外一个办法是观察阿秒光脉冲颠末气体原子的吸取谱，由此降生了一个新的子范畴——阿秒瞬时吸取（Attosecond Transient Absorption）。包罗美国加州伯克利大学Stephen Leone研讨组在内的多个研讨组对阿秒瞬时吸取谱做出一系列功效。阿秒光脉冲的使用不只范围于气体中的原子，还能够用来研讨固体中的电子动力学，包罗美国斯坦福大学David Reis研讨组在内的多个研讨组都在这方面获得了一系列功效。Ferenc Krausz的研讨组则用阿秒光脉冲探测血液里的生物份子，睁开癌症研讨。

　　但是微观粒子活动的工夫标准小于1纳秒提拔拍照手艺。比方，份子动弹的周期约为皮秒量级，份子振动的工夫周期约为几百到几十飞秒。原子中电子的活动更快，在阿秒量级。以最简朴的氢原子为例，基态电子的能量为一个原子单元影戏拍照师排行榜，经由过程量子力学的不愿定性道理预算，其活动的工夫标准约为24阿秒。

　　因为阿秒科学的打破次要来自于尝试手艺，诺贝尔奖终极颁给了在尝试上有严重奉献的三位物理学家，而实际方面没人获奖。曾得到沃尔夫奖的Corkum落第。值得一提的是，在阿秒科学界有许多专业人士以为Kulander在实际方面的奉献更大。因高次谐波尝试而得到诺贝尔奖的L’huillier在实际方面也做出了凸起奉献。

　　要探测或拍摄活动历程，所用东西的工夫活络度必需比活动自己的工夫标准要小许多。举个一样平常糊口的例子，拍摄一个快速活动中的足球什么是摄影技术的里程碑。假如用一般相机照相，在相机暴光工夫内，球的地位发作了改动，那末拍出来的照片是多个地位的图象堆叠的成果，因而恍惚不清。若用高速相电机影拍照师排行榜，暴光工夫很短什么是摄影技术的里程碑，在暴光工夫内，球险些不活动，如许才气拍摄到明晰的照片。经由过程电子器件掌握快门，高速相机的工夫活络度到达微秒量级，才可拍摄到的活动。

　　偶合的是，这两个阿秒尝试手艺称号的缩写恰好是英文单词兔子、田鸡和螃蟹。另外一个丈量阿秒脉冲的手艺缩写为SPIDER（Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction)，恰好是英文单词蜘蛛。有业内助士戏称，阿秒尝试室里建了个“植物园”（Zoo）。

　　求解含时薛定谔方程的办法通常为将含时波函数用一组基函数（Basis function）睁开，离散化，再用数值办法求解。一种办法是用实空间（Real Space）网格，另外一种办法是用希尔伯特空间（Hilbert Space）的基组睁开。对有N个电子的原子，若在3N维度求解，其计较量十分大。因为许多尝试征象只触及单电子历程，比方单重电离或激起、高次谐波发生等，因而在实际计较中可接纳单电子近似（Single electron approach），简化计较。对多电子历程，比方多重电离或激起，可接纳约化维度（Reduced dimension）的近似，也可在必然水平上减小计较量。

　　本文将扼要回忆阿秒科学的开展过程，引见里程碑式的科研事情及相干科学家什么是摄影技术的里程碑，解读阿秒科学及超快光学中的一些主要尝试手艺与实际办法，阐发相干物理名词的寄义。

　　阿秒科学要先从甚么是阿秒提及。阿秒（Attosecond）是一个工夫单元，即是10^（-18）秒。写成小数情势就是0.001秒，小数点前面有17个零。这是一个十分十分十分短的工夫。宇宙的年齿约莫10^18秒提拔拍照手艺， 也就是说， 1阿秒比1秒，相称于1秒比全部宇宙年齿。比阿秒大一千倍的工夫单元是飞秒（Femtosecond，即10^（-15）秒），云云类推，依此是皮秒（Picosecond，即10^（-12）秒），纳秒（Nanosecond，即10^（-9）秒），微秒（Microsecond提拔拍照手艺，即10^（-6）秒）等。

　　对更长工夫量度的寻求还在持续，下一个目的是小于1阿秒、即仄秒（即10-21秒）量级的光脉冲。美国科罗拉多大学JILA研讨所的Henry Kapteyn和Margaret Murnane尝试组与Andreas Becker实际组协作，发生了更高次的谐波，光子能量更高，到达X射线波段，向时域脉宽更短的仄秒脉冲迈进了一步。仄秒是原子核物理的工夫标准提拔拍照手艺。若能完成仄秒脉冲，将面向原子核内部动力学的探测。

　　在大学的小型尝试室里，桌面尝试安装只能完成强度很低的阿秒光脉冲，强度只要约106瓦/平方厘米，比飞秒激光脉冲低6-7个数目级什么是摄影技术的里程碑。由Mourou传授倡议，欧盟比年来建成了ELI（Extreme Light Infrastructure）研讨所，为今朝天下上最大的强激光机构，估计可完成下一代高强度的阿秒光脉冲。

　　在尝试上完成高次谐波后，响应的实际计较事情也开展了起来。1992年，美国劳伦斯利弗莫尔国度尝试室的科学家Kenneth Kulander与Kenneth Schafer等人起首提出了半典范的再散射模子（Rescattering Model），初次阐清楚明了发生高次谐波的物理道理。在强激光场的感化下，原子中的一个电子发作隧穿电离，电离的电子在强电场的感化下回归，并与母离子发作碰撞。按照回归电子动能的差别，可发作多重电离（Multiple Ionization）或复合（Recombination）。若发作复合历程，能量将以高次谐波的情势往外发射。随后，加拿大国度研讨委员会（National Research Council ）的科学家Paul Corkum提出了一个相似的半典范模子，称为三步模子（Three-step Model），同样成功地注释了高次谐波发生。1994年，Corkum与协作者Maciej Lewenstein, M Yu Ivanov, Anne L’huillier等人进一步开展了一个量子实际。上述这些实际模子为厥后在尝试中完成阿秒光脉冲供给了指点思绪。

　　在处置超短光脉冲在介质中传布的成绩时，有些状况下需求将宏观效应的影响思索在内，对应的实际办法是求解耦合的麦克斯韦颠簸方程-含时薛定谔方程。麦克斯韦颠簸方程（Maxwell Wave Equation）是形貌典范电磁波（包罗光）的根本方程，而薛定谔方程则是量子力学中形貌非相对论电子的根本方程。

　　如前所述，阿秒光脉冲是经由过程高次谐波发生的，与经由过程受激起射构成的激光脉冲差别。在英文文献中，很罕用阿秒激光（Attosecond Laser Pulse）的说法，更多是接纳阿秒脉冲（Attosecond Pulse）或阿秒光脉冲（Attosecond Light Pulse）的说法。按照傅立叶变更，时域脉宽越小，频域（即能域）脉宽越大。用量子力学的言语来讲就是不愿定性道理。时域宽度为100阿秒的脉冲在频域的脉宽很大，到达数个电子伏特（eV），以是阿秒脉冲不是单色光，没有激光所具有的单色性。

　　电子器件的工夫分辩率极限只能到几十皮秒。要得到低于一皮秒的分辩率，只能用光学办法提拔拍照手艺。用超快光学手艺完成的飞秒激光脉冲（Femtosecond Laser Pulses），可用于探测份子的活动影戏拍照师排行榜。基于飞秒激光手艺完成的阿秒光脉冲（Attosecond Pulses of Light），则可用于探测原子中的电子的活动。这就是为何超快光学这个范畴很主要的缘故原由之一。

　　飞秒激光脉冲的强度（Intensity）很大，可到达1012-1014瓦/平方厘米。将飞秒激光聚焦在惰性气体（Rare Gas）上，惰性气体原子会吸取多个光子，呈现阈上电离（Above-threshold Ionization）征象。阈上电离因在阈值以上有多个电离峰而得名。早在1979年，法国CEA研讨所的科学家Pierre Agostini就初次在尝试中观察到阈上电离征象。当飞秒激光聚焦在惰性气体上，还呈现了另外一个风趣的征象——高次谐波发生（High Harmonics Generation）。1987年，Anne L’Huillier与协作者还是在法国CEA研讨所初次在尝试中观察到了高次谐波征象。（L’Huillier现为瑞典Lund大学的传授。）

　　本年的诺贝尔物理奖授与阿秒科学（Attosecond Science），惹起了公家对“阿秒”这个词的存眷。阿秒光学手艺翻开了一扇窗户，使得探测原子中的电子动力学成为能够。阿秒科学是今朝超快光学（Ultrafast Optics）最前沿的科研范畴之一。

　　超快光学是激光物理学的一个分支，次要研讨发生时域脉宽小于1皮秒的光脉冲的光学手艺，及其相干的使用。激光的英文Laser是一个缩写词什么是摄影技术的里程碑，全称是Light amplification by stimulated emission of radiation，翻译过来就是受激起射的光放大。受激起射是指处在激起态的原子在外来辐射的感化下发射光子的征象，其机制最早由爱因斯坦于1917年提出。

　　图3：再散射模子（或三步模子）影戏拍照师排行榜。在强激光场的感化下，原子中的电子发作隧穿电离，在强电场的感化下回归，并与母离子复合，能量以高次谐波的情势往外发射。 图源：Nanophotonics 2015; 4:303–323

　　尔后，多个研讨组接踵革新阿秒脉冲时域脉宽的记载，今朝最新的记载是瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）Hans Wörner传授的研讨组于2017年做出的脉宽为43阿秒的光脉冲。

　　图2. 阿秒脉冲链（黑实线）与飞秒激光的电场振动（红虚线）。每一个阿秒光脉冲相隔半个电场振动周期，构成阿秒脉冲链。 图源：

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