超快雷射捕捉自然界的極速瞬間
想像一下，能夠在不到一億分之一秒的時間內，將材料從透明變為不透明，或者改變其特性。魏茨曼科學研究所的研究人員開發了一種巧妙的方法，利用同步雷射脈衝來追蹤這些超快變化。透過觀察光在阿秒（attosecond）時間尺度上與材料的互動，科學家們現在能夠看到強大的雷射如何改變物質內部的量子能級。這項突破為未來的超快計算、精確材料控制，甚至觀察電子運動的新方法開啟了大門，為應用技術和基礎物理學開闢了新的前沿。
將材料從不透明變為透明，或者從導體變為絕緣體，這聽起來像是科幻小說的情節，但它正迅速成為現實。近年來，科學家們已經能夠利用雷射在光波的一個週期內，以極快的速度控制物質的特性。然而，這些變化發生在阿秒時間尺度上（一億分之一秒），使得它們極難被觀察到。
現在，在《自然光子學》（Nature Photonics）期刊上發表的一項研究中，魏茨曼科學研究所的Nirit Dudovich教授及其團隊開發了一種革命性的方法來追蹤這些超快材料變化。這項阿秒科學的進展，探索了自然界中最快的過程，可能為超快計算和下一代通訊等技術開闢新的道路。
要理解這項技術的工作原理，可以想像一下彩虹。當陽光穿過雨滴時，它會減速並彎曲，或者說折射。不同顏色的光在雨滴中以略微不同的速度傳播，從而形成彩虹。通常，我們認為像玻璃或水這樣的材料會以固定的方式折射光。然而，研究人員發現，強大的雷射可以改變材料減慢光的程度，並且可以在極短的時間尺度上做到這一點。
魏茨曼團隊提出，如果他們能夠測量雷射誘導的光在材料中傳播的微小延遲，他們就可以揭示雷射如何即時改變材料的特性。這項發現可能會促成最快的處理器的開發，從而大幅提高資料傳輸或處理的速度。
這項新測量方法的開發由Dudovich實驗室的三位研究生Omer Kneller、Chen Mor和Noa Yaffe領導。該方法使用兩束雷射。第一束是強大的雷射，由相對較長的脈衝組成，它改變了光在特定材料中經歷的光學延遲。另一束則發射極短的阿秒脈衝，並充當某種慢動作攝影機。
這些阿秒脈衝有兩個副本：一個不與材料互動，作為參考；另一個穿過材料，與其互動並記錄由這種互動引起的阿秒延遲。當這兩個副本最終結合並相互幹擾時，這種幹擾使研究人員能夠精確重建光在穿過材料時經歷的光學延遲變化。
在量子力學中，材料的特性由其能級決定，這些能級形成了一種能量階梯。電子可以透過獲得或失去恰好正確的能量來上下移動這個階梯。強大的雷射透過修改這些能級的位置來改變這個階梯；它可以將兩個能級合併為一個，或者將一個能級分裂為兩個。
就像導航應用程式如Waze可以預測從A點到B點的任何路線所需的時間一樣，新方法透過測量阿秒脈衝經歷的延遲來重建電子在不同能級之間移動的路線。分析電子的旅程反過來使研究人員能夠瞭解材料中的能級如何對雷射做出反應。起初，科學家們使用這種方法來瞭解雷射如何改變單個原子的特性。然而，他們也提出了理論計算，表明他們的新方法可以用來揭示光與更複雜材料之間的互動。
Dudovich表示：「一旦我們能夠追蹤單個電子在能級之間的『旅程』，我們就可以利用光在數百甚至數十阿秒內精確地控制材料的特性。」這種能力可能會促成最快的處理器的開發，從而大幅提高資料傳輸或處理的速度。「我們的新方法也對基礎研究有影響：我們希望它能幫助我們捕捉電子運動的快照，揭示各種以前無法接觸的量子現象。」
光從地球到月球大約需要1秒鐘；它穿過一個氫原子只需要1阿秒，即一億分之一秒。
參考文獻：Omer Kneller, Chen Mor, Nikolai D. Klimkin, Noa Yaffe, Michael Krüger, Doron Azoury, Ayelet J. Uzan-Narovlansky, Yotam Federman, Debobrata Rajak, Barry D. Bruner, Olga Smirnova, Serguei Patchkovskii, Yann Mairesse, Misha Ivanov和Nirit Dudovich於2024年11月1日發表在《自然光子學》上的「阿秒瞬態干涉測量法」。DOI: 10.1038/s41566-024-01556-2
參與這項研究的還有來自柏林Max-Born-Institut的Nikolai D. Klimkin、Olga Smirnova教授、Serguei Patchkovskii博士和Misha Ivanov教授；來自以色列理工學院的Michael Krueger博士；來自麻省理工學院的Doron Azoury博士；來自普林斯頓大學的Ayelet J. Uzan-Narovlansky；來自魏茨曼科學研究所複雜系統物理系的Yotam Federman和Barry D. Bruner博士；以及來自法國波爾多大學的Debobrata Rajak博士和Yann Mairesse教授。
Nirit Dudovich教授的研究得到了Jay Smith和Laura Rapp複雜系統物理研究實驗室的支援。Dudovich教授是Robin Chemers Neustein教授席位的現任者。
