我们为何在追求超短激光的路上“贪得无厌”

2024-06-27 15:28

我们为何在追求超短激光的路上“贪得无厌”？

在第一台激光器诞生的仅仅一年之后，调Q技术就使得人类能够实现纳秒尺度的激光输出。自此，科学家们开始在追逐超短、跨越超强的路上一骑绝尘，锁模技术、啁啾脉冲放大技术、空心光纤展宽压缩、相干合成以及高次谐波的出现让我们能够获得皮秒、飞秒乃至如今的阿秒脉冲。这么看来，脉冲尺度的缩小仿佛希腊神话的“Cornucopia”，是一件取之不尽的事情。然而笔者作为超快科学从业者，有时候也会问自己，怎样的脉宽尺度才能满足我们探索物质世界的需求，我们又为何要在追求超短激光的路上“贪得无厌”？

我们不妨从一种比较“物理”的观点去思考这一问题。人们对一个系统的认识往往是从简单到复杂、从宏观到微观。例如自十九世纪凝聚态物理兴起以来，人们对物质的研究从块体的宏观性质，逐渐深入到介观甚至如今纳米尺度上体系的光学、磁学、电学和热学性质。随着研究的不断深入，我们所触及到的物理过程也不尽相同，如图1所示。在介观尺度上，我们能够观察毫电子伏尺度的原子在分子尺度的运动。而在纳米物理中，电子在原子分子或固体中的运动引起我们的关注。这一过程的能量规模可以发生在电子伏特（电子在固体能带间的跃迁）到千电子伏特（电子在原子内壳层的跃迁）量级。而根据测不准原理，我们可以很容易得到介观尺度的原子运动发生在皮秒内，而对电子在原子分子或者固体中的运动进行考察则需要在飞秒甚至阿秒的时间窗口内。

此外，正如Anderson在他被誉为凝聚态物理独立宣言的《More is different》中所言，复杂系统的现象或许不能用基础定理解释，多体系统中的关联效应往往使得问题更加复杂，对这些物理过程的研究需要我们更加的小心。并且显而易见的是，我们还需要更高的分辨精度。一个典型的例子便是超导相变中Cooper对的形成，电子通过电声作用形成Cooper对的过程被认为发生在阿秒尺度，利用阿秒脉冲对这一过程进行探测，或许将成为我们揭开超导奥秘之门的钥匙。

图1 不同物理过程所发生的时间和空间尺度，引用自Krausz, Ferenc, and Misha Ivanov. "Attosecond physics." Reviews of modern physics 81.1 (2009): 163.

这样看似乎阿秒脉冲已经足以满足探索物质世界的要求了（很多人也确实有这样的想法），那么我们是否应该就此满足，醉心于阿秒世界而不再寻找实现更短脉宽的方法了呢？在笔者看来或许也不是这样的。首先尽管阿秒脉冲可以帮助我们研究固体和软物质材料中绝大部分的电子运动，但是当我们把目光深入到原子核，其内部的粒子运动过程将发生在仄秒尺度。而如果我们有幸，能够产生幺秒——秒的时间分辨技术，那么质子尺度的物理过程将像电影一样呈现在我们面前。这一极小的时间尺度或许能帮助我们揭开百亿年前宇宙大爆炸时期的故事。

是的，最微小的时空尺度牵动着最古老庞然又深邃奥秘的脉络，这种莫比乌斯环一般神奇的联系或许就是物理魅力的来源之一。而这种魅力又自然地带来我们“贪得无厌”的第二条原因：那就是人类的好奇心。所谓至高的善在无所为而为的玩索，在我眼中，好奇心这一人类最原初的本能便是这样一种至高的善。因为这种好奇，我们向上探索太空的浩瀚与伟大，向下探索海洋的深邃。好奇心让我们与天地对话，无问西东。生来便拥有这种好奇心的我们，又有什么理由不去问自己，比阿秒更短的时间下有什么，比原子核更小的世界里有什么呢？那么现在，让我们回过头看看这种对阿秒的好奇可以给我们带来了什么吧。

阿秒尺度下我们可以窥探固体中绝大多数的动力学过程，此外，Bloch加速理论提示我们利用超短脉冲在亚周期尺度上对电子运动进行精准控制成为了可能。因此，近年来阿秒光物理的发展为我们带来了丰富的新物理与新应用。其中最令笔者感到兴奋的当属拍赫兹逻辑器件的产生。我们知道，在过去的几十年中，半导体行业一直依照摩尔定律高速演进，促进了半导体科学、现代工业以及资本的深度融合与发展。然而，随着微缩尺寸的不断增加，晶体管沟道宽度减小到了几十个甚至几个原子的厚度，此时量子隧穿效应在内的量子效应会导致传统半导体材料电学性能的显著衰退，人们正在进入后摩尔时代。此外，大多数的器件架构是基于电子输运来实现的，这就为器件的工作频率设下了内在的限制。要突破这一频率限制，就需要在超快的时间尺度上实现对电子的加速，静态电压调控显然无法满足这一需求。然而，少周期脉冲的应用解决了这一问题。

通过调控载波包络相位对脉冲波形进行调控，电子可以在亚光周期尺度实现加速或减速，从而使得拍赫兹逻辑器件的实现成为了可能。超快片上太赫兹辐射源、超快谷霍尔效应光开关等新器件以及强场拓扑共振谷极化、光导Floquet拓扑物理等新物理也随着阿秒技术应运而生。难道要只局限于此吗？看到阿秒技术带来的广阔天地后，我想每个人的回答都是否定的。我们出于本能的会好奇更短的时间下会发生什么，出于本能的会“贪求”新物理和新物理带来的新技术。诚然，我们需要一部分人去在现有物理框架下进行精雕细刻。但是，回顾历史，人类的成长史就是一部向自身极限靠拢并突破的历史，每次迈出的那一步或者不会让世界改变、让恒星闪耀，但是那一步体现了人类的骄傲与力量。所以寻找时间分辨极限，朝它迈进，哪怕只有一小步，这一过程又怎么不能让我们“贪得无厌”。