看“见”电子

转载自“阿秒科学”微信公众号

科技发展史上的许多重大突破,
都与人类对微观物质世界认识能力的提高有密切关系,
随着科学技术的快速发展,
我们正在进入越来越小的微观世界!
通过光学显微镜、电子显微镜、

冷冻电镜等设备,
人们已经将空间分辨推至

接近理论极限的亚埃。
进入亚埃,就能看清原子的排列!

但是,对物质世界的理解和描述

不能只关注其静态特性;

必须对其运动和变化开展时序测量和瞬态测量,才能更深入地了解其本质特征。

那么,时间分辨率能到多少呢?

01 天下武功,唯快不破

由于人类的视觉暂留效应,眼睛的时间分辨能力只有几十毫秒,对于在短于42 ms内运动或变化的物体,人眼几乎无法分辨清楚其中的细节,直到高速摄像的出现,人类对高速运动物体的观察成为可能。

高速摄影利用极短的曝光时间或闪光灯将运动和变化的目标凝固或“定格”在一个或者一系列的刹那间——帧, 在这些“刹那间”目标的运动和变化小到可以忽略。当一帧一帧回放时, 就可以对其变化的细节进行观察、研究或者欣赏。

微观世界中的分子、原子、电子的运动的时间尺度是多少呢?为什么要研究微观世界中的时间尺度?怎么研究?

02 科学前沿问题

国际顶尖科技期刊《Science》曾提出了最具挑战性的125个科学前沿问题,其中包括:

超导磁悬浮

1、超导、磁学等凝聚态物理:都涉及微观动力学的研究,比如在超导研究中,如果知道库珀对的形成时间,对理解高温超导机理、发现新型的超导材料以及理解瞬态室温超导都具有非常重要的意义。

2、光伏发电被认为是下一代清洁能源的主要选择;其物理过程主要是表面上的光诱导电荷转移,而电荷转移过程往往发生在飞秒甚至阿秒量级,对其研究有利于挖掘转化效率更高的光伏材料。

信息科学

3、现代电子技术的应用和发展是立足于半导体材料之上的,半导体因其导带和价带之间带隙较小而响应时间较长。

利用超快光场驱动半导体材料中电子的运动,已经证实可实现PHz开关速率,相比目前的CPU时钟,速度可提高10000倍以上,从而有望推进计算技术的突破和发展。

分子生物学和生物医学

4、分子生物学和生物医学中的蛋白质等生物分子内的电子迁移是理解生化反应、药物作用机理、信息和能量传递、辐射损伤、生物变异、癌症微观致病机理及生理功能运作的关键。

理解这些电荷迁移过程,有助于理解生化反应的机制,并最终实现对上述过程的调控,进而改变生物功能来为人类服务。

量子力学100年,对电子运动的直接观测还几乎是空白!

瓶颈科学问题:

对微观电子行为与动力学的认识!

我国瞬态光学的奠基人之一侯洵院士说:“物理、化学、生物、材料、能源等学科里面,最根本的是电子的运动,对这些运动的研究,必将发展出新的、源头性的科学技术。”

这些问题的难点在于无法从根本上认识和揭示这些问题的本质—电子的运动规律。而电子处于永不停歇的超快运动中,那么如何才能对其进行跟踪测量?

03 阿秒激光

阿秒激光的出现为解决这些具有挑战性的科学问题,提供了革命性的手段。

什么是阿秒?为什么阿秒脉冲是目前唯一可直接测量电子瞬态行为的工具?

不同的时间分辨率,对应不同的物理过程,也对应不同层次的世界。

小分子转动和振动的特征时间是在皮秒到飞秒量级,原子内部电子运动的特征时间就到了亚飞秒,也就是阿秒量级。阿秒是一个非常短的时间单位,1阿秒=10-18秒,阿秒到底有多短呢?

如果“阿秒”在1阿秒眨一次眼睛,那么人类一眨眼的时间,“阿秒”能眨亿亿次眼睛。

如果按照玻尔的原子模型,电子绕原子核一周的时间为152阿秒/圈。

由于超快激光脉冲的持续时间比原子或分子的驰豫时间还短,可以作为非常短的“时间快门”记录微观物质中原子、分子、电子运动的瞬态过程,从而揭示新的物理化学现象。

因此,利用阿秒 (as,10-18秒) 脉冲就可以“拍摄”电子运动的瞬时过程。

阿秒激光脉冲可以跟几乎所有的学科进行交叉,包括物理、化学、生物、医学、信息、材料等等,势必成为推动当前世界科技进步的强大驱动力。

可以说,阿秒激光是当前世界科技进步的强大驱动力!

04 阿秒激光脉冲研究,我们在行动!来一场国际头脑风暴!

为了进一步开拓超快物理及阿秒科学的新技术和新应用,2022年1月16日至18日,由中国科学院物理研究所、中国科学院西安光机所、松山湖材料实验室联合主办的第一届“先进阿秒激光科学与应用”国际会议(TheFirst International Conference on Scientific Opportunities with Advanced AttosecondLasers SOAL-2022)以线上线下结合的方式在东莞市松山湖国际创新创业社区成功召开。

来自12个国家的150余位专家参加了此次盛会,共有17000余人通过观看直播的形式参加了会议。共有58位专家做了主旨报告,涉及物理、化学、生物、医学、信息、材料等多个学科,展现了阿秒脉冲成为推动当前世界科技进步的强大驱动力的潜力。

会议得到了国内外该领域专家的广泛支持和响应。超快物理与实验技术的飞速发展,使得人们在阿秒飞秒尺度上实时探测物质中电子原子多体动力学过程成为可能,在物理、化学、材料、生命等科学领域中有着巨大的应用前景。进一步发展结合超快太赫兹及X射线的先进阿秒激光装置,将能为科学家提供全面洞察物质微观动力学特性的超高时间分辨能力,以在阿秒/纳米的时空尺度上揭示物质的结构和动力学过程。

相信在国内外科学工作者的共同努力下,基于超快及阿秒科学的发展,无论对于基础研究、应用研究还是产业化,这将打开一扇大门,深入一个层次,进入到一个新的时代。

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