阿秒激光與量子點巧遇在諾貝爾獎

彭鵬 劉博聞 高策

1959年，費曼（R. Feynman）在加州理工學院做了以“底部空間還很大” （Theres Plenty of Room at the Bottom）為題的演講[1]：“當我們進入一個非常非常小的世界，我們將會發現很多新的東西，它們代表著全新的設計機會。在小尺度上，原子的行為與大尺度上的任何物體都不同，因為它們遵循量子力學的法則。所以，當我們深入微觀世界擺弄原子的時候，我們可以期望通過不同的定律，用不同的方式做不同的事情?！笔艿疆敃r技術的限制，人們還無法將費曼的量子力學構想付諸實踐，但是隨著科技的演進，構想已經成為現實，并且在很大程度上影響著宏觀世界的發展進步。

自古以來，人類就對光十分推崇，并且從未停止對光的探索。隨著科技的發展，我們不僅更深刻地理解了光的本質及其產生機制，還實現了對光的各種操控，更進一步還可以利用光對原子、離子等微觀粒子進行操控。2023年度諾貝爾物理學獎授予阿戈斯蒂尼（P. Agostini）、克勞斯（F. Krausz）和呂利耶（A. LHuiller），表彰他們將產生阿秒光脈沖的實驗方法用于研究物質的電子動力學。阿秒激光是一種脈寬在阿秒尺度的超短脈沖激光，可清晰地捕捉到如分子振動、原子運動、質子傳遞等超快過程，并可以瞬間達到超高的功率。 2023年度諾貝爾化學獎授予巴旺迪（M. Bawendi）、布魯斯（L. Brus）和葉基莫夫（A. Yekimov），表彰他們在發現和合成量子點方面所作出的貢獻。量子點是一種納米級半導體，可以通過改變它的尺寸大小來控制其精確發出滿足人們需要的五彩斑斕的光。阿秒脈沖激光和量子點代表了人類光學技術的新高度，同時二者的交匯融合為我們勾勒出世界的無限可能。

光的由來

1905年，愛因斯坦解釋了光電效應：光是以單獨的不連續光量子組成的，單光子能量與光頻率成正比。原子內部的電子吸收足夠的光子能量變為自由電子并逃逸出物體表面，使物體表面產生電流，這種電離過程即光電效應。吸收單個光子能量而發生的電子電離，被稱為單光子電離；單個光子能量不足時，可通過增強入射光強度，使電子同時吸收多個光子，產生多光子電離。1913年，玻爾提出了原子模型，原子中的電子具有分立的能級，而當電子從高能級躍遷至低能級時會以光的形式釋放能量。所以為了產生光，我們需要電子處于高能級，為了使處于低能級電子躍遷到高能級，不僅可以用光來激發，還可以通過電能來激發。

更進一步，愛因斯坦1917年首次提出激光的產生原理：受激輻射。一般將處于激發態的高能態粒子受到能量為該原子兩級能量差的外來光照射向低能態躍遷并輻射光子的現象稱為受激輻射。若要成功產生激光，粒子數反轉是必不可少的前提，通常來說低能級的粒子多于高能級粒子，若要產生激光就需要外來光的激勵，使低能級粒子被激發至高能級，從而實現粒子數反轉。當高能級粒子向低能級躍遷時，會釋放一個與激勵光全同的光子，高能級粒子數多則可以實現光放大。1960年5月16日，梅曼（T. H. Maiman）成功研制出世界上第一臺紅寶石激光器，并發射出世界上第一道脈沖激光，脈寬為毫秒量級。上述理論的發展為2023年諾貝爾獎授獎成果奠定了堅實的基礎。

極短時間的阿秒激光

根據持續時間的不同，激光可分為連續激光與脈沖激光。連續激光是指激光器輸出的功率恒定（通常較低）的光束，由于其輸出功率在較長時間內是穩定的，通常用于激光手術、激光通信等方面。脈沖激光是指激光器每隔一段相同的時間發射出的光脈沖，由于其脈寬較短，通常用于研究極短的物理化學過程，比如飛秒物理和飛秒化學等。脈寬是脈沖激光的重要參數，更短的脈寬使研究粒子運動成為現實；同時還意味著峰值功率更高，可促進非線性效應的產生，因此，科學家致力于產生更短的脈沖激光。

隨著鎖模、調Q、啁啾脈沖放大等技術的持續發展，科學家們可以產生飛秒級別的脈沖激光。1974年，伊彭（E. P. Ippen）等人發明腔外光柵對壓縮技術，首次產生飛秒激光脈沖。通過飛秒激光人們可以觀察到原子的運動，而想觀察電子運動，則需要通過更短的阿秒激光來實現。

阿秒激光，一般是由飛秒激光作用于高非線性介質產生高次諧波來生成。高次諧波顧名思義就是原始激光頻率整數倍的諧波。當飛秒激光穿過高非線性介質時，光子會激發介質中的電子而釋放新光子，產生高次諧波輻射，在這個過程中也會釋放阿秒激光。同時，高次諧波輻射與多光子電離之間有著重要聯系。1979年，阿戈斯蒂尼等人首次觀察到閾上電離現象，他觀察到在強激光場中，原子中的電子吸收了比產生電離所需光子數更多的光子而發生電離。

在光電器件中，取決于不同的研究問題，我們可以選用固態、溶液中的或者集成在納米結構中的不同量子點實驗品，將其放入能夠與阿秒激光相互作用的實驗裝置中，激發量子點內的電子。量子點中的電子吸收能量變為激發態，隨著時間的推移，激發態電子又會回落到基態或其他低能級態。該過程中量子點可能會發出可見光或近紅外光導致顏色的變化，這個變色效應可以通過調整激光的參數，如脈沖強度、頻率和持續時間來控制，進而用于光學器件、傳感器和顯示技術的制備。此時通過使用適當的光譜儀器，測量樣品中光電子的動能和角度可以得到光電子能譜的信息，之后分析相關光電子能譜數據，可以得出有關量子點的電子結構、載流子動力學和電子激發態的信息，相應研究結果可以用于改進量子點材料的性能，實現對不同區域的染色與研究。

在激光領域，也常常涉及量子點本身獨特的性質。在強激光場下，量子點的非均勻性和表面效應可以增強其本身的非線性光學性質，例如倍頻效應：當一個光波傳播經過非線性光學材料時，該材料能夠將入射的單一頻率的光波分裂成兩個具有不同頻率的新光波。這個過程中，一個光子分裂成兩個光子，一個具有原來的光波頻率，另一個具有原波的兩倍頻率。該性質可用于產生高次諧波，可以進一步擴展光源的頻率范圍，有助于研究光子與物質的相互作用。小尺寸和高效率的特性使它們成為能源轉換領域的重要材料，由于量子點的尺寸與波長之間的對應關系，我們可以通過改變其尺寸來控制發光的波長，用于制造光探測器、光伏電池和光電二極管等光電子學設備。

阿秒激光與量子點也有助于量子信息科技領域的創新發展。高效穩定的單光子源是量子計算與量子通信的重要組成部分，自組裝量子點具有極好的單光子性與光子全同性，可作為理想單光子源使用。此外，量子點也可以通過阿秒激光脈沖照射來精確產生糾纏光子對， 用作糾纏光源。量子點不僅具有高度的可控性，可以通過調控電壓控制其電子自旋，而且還具有較長的相干時間，這使得其成為了量子比特的理想載體。一個量子點具有一個基態和多個激發態，通過阿秒激光操控激發態和基態之間的轉換，可以實現量子門操作。在量子通信中，阿秒激光超短脈沖和高能量的特性使其成為制備量子比特和進行量子操作的理想光源，進而提升量子信息在不同節點之間的傳輸效率，推動建立更高效的量子通信網絡。

綜上，阿秒激光和量子點有很多重要交叉點，它們共同為我們提供了深入了解分子、原子和納米材料性質和行為的能力，并將深刻地改變我們的生活。這種跨學科、跨領域的合作有助于推動不同領域的創新，同時交叉領域的前沿研究有望推動科學、技術和工程的發展，為新材料、新器件和新應用的產生提供有力支撐，有助于解決許多復雜的科學問題，從而進一步推動宏觀世界科技的發展進步。

世界之大，遠超過我們的眼界可以容納的范圍，然而，“大”是由最微小的細節掌控的，2012—2023年這12年間，作為全球自然科學類的最高獎項，諾貝爾物理學獎與化學獎大部分被授予在微觀領域內進行偉大探究的科學家。細究獲獎成果我們不難得出，評選諾貝爾獎的目光已從具有跨時代意義的先進理論轉移至可以促進社會進步的前沿科技上來，并呈現出一種微觀層面的科學逐漸技術化、產業化的趨勢。人類宏觀世界的科技進步往往受到物理或化學微觀層面上跨越的深刻影響，比如半導體芯片與石墨烯材料。這些微觀層面上的創新對人類的生產生活起到關鍵作用。

大自然本來沒有學科，學科是人類研究自然的結果。人類早期社會把所有的科學知識都歸于哲學，隨著生產力和科學技術的進一步發展，科學逐漸從哲學中分化出來，并且學科分類日益細化。然而，當今隨著人們需要解決的科研問題日益復雜，跨學科交叉融合成為科學發展的大趨勢。阿秒激光與量子點的發展和應用體現了學科融合的意義與價值?；A科學的長足發展促使技術產生了極大的進步，整體呈現出一種交融的形勢，這不僅有助于促進不同方向上思維和方法的交叉應用，同時，不同領域的專業知識相互滲透，不同領域專家之間的合作交流還可以拓展面對重大問題時的視角。隨著科技不斷更新迭代，跨學科交叉融合也將逐漸成為各國關注的重點研究方向、創新發展的推動力和前沿科技進步的源泉。

[本文相關研究得到自然科學基金青年科學基金項目（11904217）、國家社會科學基金重大項目（16ZDA113）、中國科協項目“全球量子信息產業布局及發展路徑研究”、山西省科技戰略研究專項（202204031401039）資助。]

[1]Feynman R P. There is plenty of room at the bottom. Engineering and Science， 1960： 22–36.

[2]Ferray M， LHuillier A， Li X F， et al. Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases. Journal of Physics B， 1988， 21（3）： L31-L35.

[3]Kern C， Zürch M， Spielmann C. Limitations of extreme nonlinear ultrafast nanophotonics. Nanophotonics， 2015， 4（3）： 303-323.

[4]Paul P M， Toma E S， Breger P， et al. Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation. Science， 2001， 292（5522）： 1689-1692.

[5]Hentschel M， Kienberger R， Spielmann C， et al. Attosecond metrology. Nature， 2001， 414（6863）： 509-513.

關鍵詞：阿秒激光 量子點 諾貝爾獎 ■