宇宙中最快的舞蹈：科學家捕捉到電子完美同步運動

透過超快雷射技術，研究人員成功觀察到在不到一奈米的粒子內，電子以完美同步的方式運動。這項突破性發現開啟了操控光與電子的新方法，為下一代科技鋪路。這可能是目前記錄到最小且最快的同步運動。

根據發表在《Science Advances》期刊上的研究，一個國際研究團隊利用超快光脈衝，激發電子並以前所未有的精確度測量其運動，首次在次奈米尺度上進行了測量。這種同步電子運動被稱為「等離子體共振」，能夠暫時捕捉光線，並在許多領域有廣泛應用，例如將光轉化為化學能、增強光敏感裝置，甚至從陽光中產生電力。

雖然等離子體共振在10奈米以下的系統中已被廣泛研究，但這項突破打破了先前的限制，將測量尺度進一步縮小。研究結果首次證明，阿秒（attosecond）級別的測量能夠提供次奈米尺度下等離子體共振的寶貴見解。

這項研究由美國能源部SLAC國家加速器實驗室、史丹佛大學，以及德國慕尼黑大學、漢堡大學、DESY研究中心等多所機構共同完成。早期研究顯示，當等離子體共振在極小尺度下發生時，會出現新現象，使光能夠以前所未有的精確度被限制與控制。

為了更好地理解等離子體共振，研究人員首先激發粒子周圍的電子，然後等待它們釋放多餘能量。透過測量這一過程的時間間隔，科學家可以判斷是否發生了真正的共振，即所有電子同步運動，還是隻有少數電子受到影響。然而，這些共振發生在阿秒級別的時間尺度上，現有技術難以即時觀察。

幸運的是，雷射技術的進步讓研究人員能夠以阿秒精確度測量電子運動。團隊使用阿秒級極紫外光脈衝，觸發並記錄了直徑僅0.7奈米的碳分子（俗稱「巴基球」）內電子的行為。他們精確測量了從光激發電子到電子釋放多餘能量的過程，發現每個週期持續50至300阿秒，且電子表現出高度一致性，就像訓練有素的舞者同步起舞。

這項突破讓研究人員能夠評估一系列超小粒子，揭示出可能提升現有技術效率並帶來新應用的等離子體特性。史丹佛大學光子科學與應用物理學教授Matthias Kling表示，這項測量為次奈米尺度下電子相干性與光限制之間的相互作用提供了新見解。

漢堡大學教授兼DESY首席科學家Francesca Calegari指出，這項尖端研究為開發超緊湊、高效能的平臺開闢了新途徑，未來可透過利用奈米尺度下的量子效應來控制光與物質的相互作用。

這項研究由美國能源部科學辦公室支援的「超快化學科學計劃」資助，相關成果已發表於《Science Advances》期刊。