对于这种拼手速的游戏,一般人点击次数在每秒钟7次左右,而世界上最快的能够达到每秒钟16次,也就是说人类在玩这种游戏的操作极限在几十毫秒的时间尺度。如果你对面是狮子猎豹等这类有先天的物种优势,动作更为迅捷的动物,那么他们可能会轻易“秒杀”我们(为什么用可能,不是因为我们有翻盘的希望,而是没人敢这么去干……)。但是,人类的优势在于会使用工具呀!
筋膜枪的振动频率可以高达每秒钟50次,换成时间就是每20毫秒振动一次,的确轻松地突破了我们的操作极限,能够打败一系列的动物朋友们。通过同样的思路,我们可以通过电学的方法继续提高操作的时间尺度,当然这时需要用激光代替我们的手,通过普克尔盒以纳秒量级的速度来开关产生调Q激光,输出的激光自然时间尺度也在纳秒量级(1纳秒=10^-9秒),如果说筋膜枪的操作效果能够线性累加的话,那么调Q激光的效果相当于约106,也就是一百万个筋膜枪加起来。天下武功无坚不破,唯快不破。此时的我们在宏观世界已然没有敌手了,我们未赢够!我们要打十个!(怎么突然燃了起来……)
在微观世界中的高手们坐不住了,首先分子站了出来,一个皮秒回旋踢(分子转动的时间尺度在皮秒量级,1皮秒=10^-12秒),一个飞秒寸拳(分子振动的时间尺度在飞秒量级,1飞秒=10^-15秒),随意出个一招一式便是便超出了电学操作的极限。然而,如果你以为这样就会被打败,那就小瞧我们了。1964年, 美国贝尔实验室的Hargrove等人做出了第一台锁模激光器,锁模激光器是通过介质的饱和吸收或非线性光学特性使得强度高于某一阈值的纵模可以几乎毫无损失的在腔内传播从而有利于增益放大, 而低于此阈值的纵模则由于损耗太大被抑制, 最终达到锁模的目的[1]。由于介质的非线性响应本身就是有分子本身决定的,因此产生的锁模激光的时间尺度也就在飞秒量级,从某种程度上说,我们这是以其人之道还治其人之身了,从武学的角度来说就是“化劲”。
此时电子从围观群众中走了出来。它可是一位绝世高手,氢原子中电子绕核一周的时间约为150阿秒(1阿秒=10^-18秒),那么如果将电子运动的时间尺度放在咱们的这个拼手速的游戏上,也就是说它能在一秒钟点击约6.58×10^15次。这是一个什么概念呢?如果一个人每秒钟能点击10次,那么他需要连续点击约两千万年(手突然感觉酸了起来……)。
为了征服电子,从实验上研究电子的超快运动情况,人类在这上面可谓是绞尽脑汁,发明了象征着人类科技巅峰之一的阿秒激光脉冲产生技术。阿秒脉冲的产生是一个极为复杂的过程,简而言之是将由锁模激光器中受激辐射产生的飞秒量级脉冲,通过啁啾脉冲放大技术(这可是获得了2018年诺贝尔物理学奖的工作)或者光参量啁啾脉冲放大技术提高脉冲能量,并进一步与气体介质作用产生高次谐波,最终选通分离出孤立阿秒脉冲。
最早在2001年,奥地利维也纳技术大学F. Krausz的小组与Corkum及德国比勒菲尔德大学合作,获得了650阿秒的激光脉冲。在我国,2013年时中科院物理所魏志义研究员的小组也在国内首次获得的160阿秒的孤立阿秒脉冲,随后西安光机所,国防科技大学也分别实现了孤立阿秒脉冲的产生[2]。到如今,阿秒脉冲的世界纪录已经达到43阿秒,也是人类目前所能产生的最短时间尺度。
也正因有阿秒脉冲的帮助,人们在微观领域的研究不断有新的突破,对电子的超快运动过程也有了更深刻的理解。然而目前所产生的孤立阿秒脉冲仍旧存在一些缺陷,例如脉冲稳定性较差,光通量太低等等,科学家们也正在解决这些问题,并朝着获得更短的阿秒脉冲,甚至是仄秒脉冲(1仄秒=10^-21秒)而努力,毕竟在这奇妙的世界还有更多的未知等待着我们去探索。
那么,如果以后有电子敢上门来和我们玩拼“手速”小游戏,那就放下手中的筋膜枪,换成阿秒激光器吧!让它尝尝被制裁的滋味!(唯一不足的就是阿秒激光器可能大了一点点,操作可能会复杂一点点……)
参考文献
[1]赵昆,激光、啁啾脉冲放大、超快光学和诺贝尔奖[N],科学通报 2019
[2]赵昆,魏志义, 阿秒脉冲的前世今生[N]. 中国物理学会期刊网 2017
[3]T. Gaumnitz et. al, Streaking of 43-attosecond soft-X-ray pulses generated by a passively CEP-stable mid-infrared driver[J]. Opt. Express 2017