安妮·吕伊埃（Anne L’Huillier）、皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）因开发了用于研究电子动态的飞秒光脉冲实验方法，于今年获得了诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院诺贝尔物理学委员会在今天（10月3日）宣布了这一消息。他们的发现，通过光的闪烁捕捉电子，未来将在医学诊断、催化和电子学等领域有应用。
2023年诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔松（Eva Olsson）在今天早上的新闻发布会上首先解释了飞秒物理学。一秒钟是一个心跳的时间。将它除以1,000，然后再除以1,000再除以4次。这就是一个原子移动所需的时间。将这个时间再除以1,000，物理学家就进入了飞秒和电子世界。“一秒钟与一飞秒的比例，等于用秒表示的宇宙年龄与一秒钟的比例，”在新闻发布会上，诺贝尔物理学委员会的成员马茨·拉尔森（Mats Larsson）如此表述。
“生成飞秒光脉冲的能力已经打开了一个微小得令人难以置信的时间尺度，也打开了电子世界的大门，”奥尔松说道。在1925年，理论物理学家沃纳·海森伯格（Werner Heisenberg）认为电子世界是无法捕捉的。“多亏了飞秒物理学，这一情况正在开始改变，我们开始探索这个世界，”奥尔松说。
电子在从电子学到体内化学反应的各个领域都发挥着重要作用。为了研究移动速度极快的电子，物理学家们需要开发专门的技术。普通激光系统无法生成比飞秒更短的光脉冲。
1987年，就在安妮·吕伊埃获得博士学位的一年后，她和她的同事们进行了一项开创性的实验。他们通过一种高强度的红外激光光线照射到一个惰性气体中，并使用光谱仪测量了与光线相互作用的光子。当光线与气态原子相互作用时，一些电子获得了额外的能量，这些能量以光的形式发射出来。
当他们分析数据时，物理学家们观察到了许多倍频现象，即高于激光基频的频率。这些倍频的强度相对于激光的基频强度要降低，许多倍频的强度达到了一个平台。这是物理学家首次观察到明显的倍频平台现象。在接下来的十年里，吕伊埃使用各种方法来解剖生成倍频平台的原因，并研究如何利用这一特性。
倍频现象会相互作用。当频率的峰值相互重合时，这会增加光的强度，从而产生一系列的飞秒光脉冲。这是对于单个原子的情况，但需要许多原子协同工作。在新闻发布会上，拉尔森解释说：“如果管弦乐队的每个成员都演奏自己想要的曲子，观众只会听到噪音，但如果他们同步演奏，当然还有指挥让他们同步演奏，那么我们就会听到音乐。”
在1990年代，物理学家们理论上构想了如何使倍频现象同步工作。然后，在2001年，实验物理学取得了突破，阿戈斯蒂尼和克劳斯独立开发了两种不同的生成飞秒光脉冲的方法。阿戈斯蒂尼的方法，即“两秒跃迁干涉下的飞秒跃迁重建”（RABBIT），生成了一系列连续的250飞秒光脉冲。克劳斯的方法，即“串状技术”，产生了孤立的650飞秒光脉冲。物理学家们今天仍在使用这两种技术，略有一些修改，用于飞秒实验。
吕伊埃、阿戈斯蒂尼和克劳斯的发现不仅转变了飞秒物理学的基础研究，还为化学、医学和电子学等领域的未来应用打开了大门。例如，在飞秒化学中，科学家可以利用光在它们自己的时间尺度上控制电子，以探索分子中电子的行为。飞秒物理学中生成的短脉冲还可能促进从绝缘体到导体的超快切换，从而产生极快的电子设备。
克劳斯正在探索将飞秒物理学应用于分子指纹识别，这对生物样本的医学诊断具有重要意义。将血样暴露在短飞秒脉冲下会激发数千种分子。当克劳斯和他的团队以飞秒精度分析液体活检中的分子发出的光时，他们检测到了血液中光谱特征的微小变化。“通过这样做，将来有望能够捕捉到一个人是否患有肺癌等疾病，”拉尔森在新闻发布会上表示。“如果能在早期诊断癌症，治疗将更加成功。”
吕伊埃是第五位获得诺贝尔物理学奖的女性。“这是最有声望的奖项，我非常高兴能获得这个奖项。正如你们所知，获得这个奖项的女性并不多，所以这个奖项非常特别，”吕伊埃在新闻发布会上表示。
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