世界上最短的激光脉冲

By: Joachim Schnabl

27.10.2017

    苏黎世联邦理工学院的研究人员在缩短X 射线激光器的脉冲持续时间中成功的到43阿托秒（attoseconds）。在一秒的几个10³⁰分之一的范围内的时间分辨率上, 他们现在能够首次以慢动作观察化学反应中的电子的运动。

在苏黎世联邦理工学院汉斯雅各布教授组的博士后研究员托马斯高姆尼兹与产生世界上最短的激光脉冲的设置(Photograph: ETH Zurich)

    为了充分理解在一个化学反应过程中的动力学, 科学家必须能够研究原子和分子在它们的基本时间尺度上的所有运动。

    分子在皮秒 (10^-12s) 的范围内旋转, 它们的原子在飞秒 (10^‑15 s)的范围内振动, 而电子在阿托秒 (10^-18s)的范围内运动。苏黎世联邦理工学院教授汉斯·雅各布·沃尔纳和他的团队现在已经成功的产生了世界上最短的持续时间只有43阿托秒的激光脉冲。更一般的说, 这种激光脉冲是由人类所创造过的最短的受控事件。研究人员现在能高度详细的观察电子在一个分子中怎样运动或化学键是如何形成的。

分解过渡态

    从一个红外激光器开始, 研究人员产生一个非常大频谱带宽的软X射线激光脉冲。结果是, 通过激发它们的内层电子能直接观察到各种元素包括磷和硫。这两种元素都存在于生物分子中,而现在可以用空前的时间分辨率来观察它们。

    但现在用更高的分辨率能够来观察反应步骤有什么优势呢？沃尔纳教授表示， "一个电荷能发生转移的速度越快, 一个反应能进行的越有效。例如, 人眼当到将光子转化为神经信号时是非常有效的。在视网膜的一种视玫红质中, 视光敏分子视网膜被预先安排成这样一种能极端快的通过只吸收一个单个光子而变化的结构。这甚至能使在昏光中可视的。一个远更慢的反应会使视力变得不可能的, 因为光子的能量会在只几皮秒中转化为热能。

    阿托秒光谱学能促进更高效率的太阳能电池的发展, 因为现在首次能通过一步一步跟踪阳光到生电的激励过程。一个电荷转移通路的详细了解有助于优化下一代光敏元件的效率。

反应过程的光操作

    沃尔纳教授解释，阿托秒激光光谱学不仅适用于单纯观察。化学反应也能被直接操作: 使用一个激光脉冲能改变一个反应的过程------甚至通过停止在分子中某个位置的电荷移位化学键被破坏的。到目前为止, 这种有针对性的化学反应干预一直是不可能的，由于在分子中电子运动的时间尺度以前达不到。

    沃尔纳教授的小组已经正在研究下一代甚至更短的激光脉冲。这些将使记录更详细的图像成为可能, 而且由于一个更广泛的X射线频谱甚至能比以前探测更多的元素。很快,在更复杂的分子中用一个甚至更高的时间分辨率跟踪电子迁移会是可能的。

参考

Gaumnitz T, Jain A, Pertot Y, Huppert M, Jordan I, Ardana-Lamas F, Wörner HJ.。由被动CEP稳定的中红外驱动器生成的43阿托秒软x射线脉冲的飞驰（Streaking of 43-attosecond soft-X-ray pulses generated by a passively CEP-stable mid-infrared driver）。Optics Express, Vol. 25, Issue 22 (2017) doi: 10.1364/OE.25.027506

https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2017/10/worlds-shortest-laser-pulse.html