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阿秒,人类目前能达到的最小时间分辨尺度

......不管你看得多仔细,都无法看到它,因为它持续时间太短太短了。

发表日期:2018-04-11来源:放大 缩小

  

    中国科学院与我省将共建我国西部地区首个综合性科技园区——中国科学院西安科学园。其中,科学园将建设西安阿秒光源等一批重大科学装置引起了很多人的兴趣。什么是阿秒光源?它有哪些应用?这一期我们就来了解。 

  人眼的视觉暂留时间一般为0.1-0.4秒,当变化过程短于这个时间时,受眼睛时间分辨率的限制,我们就无法看清变化过程,比如要看清高速奔跑的骏马四脚是否同时离地就需要毫秒时间分辨能力,这就需要高速摄影技术。影片中的高速摄影使用高速摄像机把转瞬即逝的快速变化过程记录下来,并以慢动作放映,从而可以显示肉眼看不见的瞬间动作。 

  然而,光电子类高速相机的最大时间分辨能力仅为纳秒级, 要想观测超高速现象或超快过程,就需要更快的摄影技术,这有赖于快速探测手段和技术的革命性进步。 

  上世纪60年代,激光的发明推动了基于超短激光脉冲的各种时间分辨光谱技术的诞生和发展。80年代末,美国科学家Zewail率先利用当时最先进的飞秒(10-15)激光脉冲去研究发生化学反应时化学键的断裂和形成过程中原子的运动特性,并藉此荣膺1999年诺贝尔化学奖。 

  2001年,奥地利科学家首次实现了阿秒光脉冲的产生(脉宽650阿秒,1阿秒=10-18秒),宣告超快科学进入了阿秒时代。 

  阿秒是物理学上的一个专业术语,相当于10的负18次秒,是非常小的时间单位。它能够在一个层次上提高人们对现有科学的认识,对现代物理学的发展十分重要。阿秒是人类目前能达到的最小时间分辨尺度,与原子内部电子运动特征时间相当(氢原子基态电子绕原子核一周为150阿秒)。阿秒脉冲具有良好的时空相干性和方向性,其波段位于极紫外和软X射线范围,光子能量可达500eV以上。阿秒技术将人类对微观物质的认识从原子分子和晶格运动推进到了原子内部的电子层面,为实时观测原子/亚原子尺度电子运动及调控电子动力学过程提供了独一无二的手段。 

  因此,制备持续时间更短、产率更大、可控性更好的阿秒脉冲,会帮助人类精确观测和控制原子尺度或者亚原子尺度上的电子运动。 

  可以预见,阿秒科学领域将是未来几年极具重大突破潜力的科学领域。 

  2010年《自然》期刊“展望2020”中预测了激光领域未来的5 项重大突破,其中包括了“获得阿秒脉冲跟踪化学反应中的极端超快电子运动”。鉴于其前沿性、重要性和不可限量的应用前景,阿秒科学自诞生起便成为前沿研究热点,美国、德国和日本都将阿秒技术列入本国的战略优先技术。目前多国政府与国际组织都在谋划建设阿秒专项重大科技设施,已立项实施的有欧洲极端光设施阿秒光源(ELI—ALPS)和韩国浦项阿秒光源,美国、加拿大、日本等国也正在积极筹建大型阿秒光源。  

  目前,国内阿秒技术与国外差距较大,在阿秒领域仍缺乏标志性的国际成果,也缺少专用的高性能阿秒科学装置,严重影响了我国阿秒科学的发展步伐和国际竞争力。 

  中科院西安光机所是国内超快研究的主要开拓者和引领者,在超快激光技术领域人才辈出,为国家培养了大批优秀人才,在国内外享有盛誉。常增虎教授是国际知名的阿秒科学家,于2012年和2017年在美国两次创造了的最短脉冲世界纪录(67阿秒,53阿秒)。西安也是国家实施西部大开发战略的前沿阵地,是“一带一路”起点,借鉴欧洲极端阿秒装置选址于欧洲中东部国家的经验,西安阿秒光源的规划建设将加速中国西部高端科研人才集聚,有力带动西部地区的基础科研发展,同时将引领材料科学和信息技术发展,加速产业升级和科技成果转化,助力中国科学院西安综合科学园建设和“大西安”国家中心城市发展 

  知识链接: 

  几个跟时间有关的单位 

  秒:国际单位制中时间的基本单位。1秒是133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的9,192,631,770周期持续的时间。这个定义提到的铯原子必须在绝对零度时是静止的,而且所在的环境是零磁场。在这样的情况下被定义的秒,与天文学所定义的秒是等效的。     

  纳秒:一秒的十亿分之一,即等于10的负9次方秒。光在真空中一纳秒仅传播0.3米。个人电脑的微处理器执行一道指令(如将两数相加)约需24纳秒。纳秒也是计算机中的一个专业术语,是用来计算CPU及各个硬件所运行的速度的运行单位。     

    飞秒:也叫毫微微秒,1飞秒只有1秒的一千万亿分之一。极短时间的激光脉冲称为飞秒激光,而极短时间的分子振动的检测为飞秒检测,极短时间的物理过程为飞秒物理,在各个科学领域,飞秒时间段正成为研究热点。   

 

 

  

 

  阿秒科学,或将引发新的科技革命 

  发展新一代超高速电子器件和信息处理技术、提升太阳能电池转换效率和光催化化学反应效率、揭示肿瘤病变机理…… 

  中国科学院与我省将共建我国西部地区首个综合性科技园区——中国科学院西安科学园。其中,科学园将建设西安阿秒光源等一批重大科学装置引起了很多人的兴趣。上一期,我们介绍了什么是阿秒,这期我们了解阿秒科学的应用。  在基础物理领域,原子和分子物理、量子力学乃至整个物理学中的基本问题之一就是超快电子运动和电子关联机理,其决定了物质的结构和特性,阿秒技术是当前实时观测电子运动(波函数演化)及其关联的唯一手段。原子分子内的超快电子过程,包括电子的激发和弛豫、结构重排、电子关联、原子间电荷转移、电子隧穿、分子内的电子和核结构变化等,其特征时间都处于阿秒量级。阿秒光源可以更高的时间精度研究不同原子轨道或不同能态的电子跃迁、光电离等基本过程,加深对光与物质相互作用机理的理解,有望实现基础物理领域的重大突破。  在化学领域,阿秒技术有望揭示化学反应中间态及电子动力学过程,实现人工操控化学反应的效率和速率。化学反应的本质是电荷和能量转移过程,中间态是影响反应进程和速率的重要因素,寿命在几百阿秒量级,是化学反应精细控制领域亟待解决的重大科学难题。此外,化学反应电子层面的许多特征时间在阿秒量级,比如化学键中的电子迁移过程,化学反应中的电荷转移现象及电子动力学过程(光激发、表面催化、金属与配体电荷转移等)。阿秒光源具有高时间分辨和宽频谱的特点,可直接实时获得局域电子、原子结构信息,进而定位溯源出元素信息,从而实现化学反应过程中间态的追踪和控制。利用阿秒技术在电子尺度上解读和控制化学反应,可望显著提高化学反应的效率和速率,从而在可持续能源生产和储存、新材料、环境科学与大气修复、人类健康等方面具有深远的意义。  在材料科学领域,阿秒技术有望揭示光伏效应的超快动力学过程,并对该过程进行操控,提升光伏材料能量转换效率。光伏效应过程包括光吸收和电子空穴的转移收集过程,其能量转换效率最高仅为20%,决定光伏技术宏观效率的微观过程是光激子产生及分离、电子空穴对的迁移和俘获,目前其过程机理仍悬而未决。利用阿秒光谱学技术和衍射成像技术可望实时跟踪光伏材料中的光激发转换和电子迁移动力学过程,从而实现高转换效率光伏材料的重大突破,加速光伏技术的实用化进程,并可直接应用于人工光合作用、光催化等热点研究领域。  在生物医学领域,阿秒技术是生物活体精准成像和癌症早期诊断应用中的独特研究手段。DNA损伤机制、癌变机制及早期诊疗一直是生物学、生命科学和医学领域的世界性研究难题。DNA破损、癌细胞形成过程取决于分子电荷转移,而实时活体成像技术可获得生物样品“分子指纹”,揭示生物体中分子的工作机理,从而在分子层面实现癌症早期诊断。阿秒脉冲频谱宽,可达水窗波段(2.34-4.4纳米),是活体生物样本X射线显微成像的最佳范围,可实现活体生物组织的实时显微成像和疾病诊断。  在信息领域,阿秒驱动光场的超快调控特性为超高速器件提供了全新的技术手段,阿秒技术有望突破信息响应速率和效率的瓶颈问题。集成电路的发展需求是提高信息响应速率的同时进一步降低功耗,这需要阿秒技术在超小空间尺度精确掌握电子的运动规律。另一方面,半导体电子器件开关速度面临瓶颈(GHz),阿秒相变技术使用阿秒光脉冲控制绝缘体-半导体的光致转变,可望实现新型光开关,以此为基础构建的新型Mott晶体管速率有望从GHz提高到PHz。同样,阿秒磁化可使磁存储/处理速率提高1000倍或更高,带来高速高效磁处理技术的变革,可引领信息技术革命。  阿秒技术对微观物质结构及其运动规律的深入理解达到电子动力学水平,是飞秒和皮秒等时间尺度超快技术所无法企及和深入的。它可研究原子分子(含生物大分子)和纳米结构、凝聚态物质中的电子运动,为物理、化学、生物和材料科学超快过程的探究和高时空分辨率成像提供崭新的手段,为了解化学反应和人工光合作用控制、生物结构特性乃至生命机理、新材料合成与应用等重大科学问题提供解决方法,并有望引发新的科技革命。 

  

  

  

  

  

  

    

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