皮埃尔·阿戈斯蒂尼

俄亥俄州立大学物理系的阿秒研究实验室。

电子在原子和分子中的运动非常快,以阿秒为测量尺度。一阿秒相对于一秒钟，就像宇宙年龄中的一秒一样短。（图源：诺奖官网）

　　对话2023诺奖得主

　　俄亥俄州立大学荣誉教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）是2023年诺贝尔物理学奖三位得主之一。早在2001年，皮埃尔就和同伴成功地产生并研究了一系列连续的光脉冲，其中包括只有250阿秒长度的光脉冲，“阿秒光脉冲”也被不少科学家称为“改变人类的重大发现”。

　　近日，这位诺奖得主接受了本报全媒体记者的采访。他表示，阿秒光脉冲首先将在阿秒化学领域有广泛引用，未来数年，阿秒化学领域可能会有突飞猛进的发展。

　　文/广州日报全媒体记者 肖欢欢 见习记者 张慧琪

　　图/受访者提供（除署名外）

　　什么是阿秒光脉冲？

　　一直以来，飞秒被认为是可以产生的闪光的极限，一飞秒等于一千万亿分之一秒。近年来，飞秒技术常被用于近视手术当中，而今年的获奖者则是开辟了阿秒物理学的全新领域，

　　阿秒也是一个时间单位，一阿秒等于一百亿亿分之一秒。

　　阿秒光脉冲是在极短时间内射出的脉冲激光。实际上，一阿秒非常短，举个例子：一束光从房间的一端发射到对面的墙壁——这个过程需要100亿阿秒，因为肉眼有视觉残留，所以我们看到的仍是一束连续的光。它就像一个极快的相机“快门”，能够“拍摄”到极快运动的电子。

　　在实际应用中，阿秒光脉冲可用于测试物质的内部过程，并识别不同的事件。这些光脉冲现已被用来探索原子和分子物理学的细节，在电子、医学等领域都具有应用潜力。

　　持续20多年的梦终实现

　　将与家人共赴颁奖典礼现场

　　广州日报：能说说得知自己获奖时的情况吗？

　　皮埃尔：这对我来说的确是个意外。当时我正在法国，我女儿打电话给我，说在网上看到这个消息，不确定获奖的是不是我。我当时也很吃惊，因为从事光脉冲研究的不止我一个。

　　当然，研究阿秒光脉冲的学者和机构之间也是存在竞争的，大家都在比赛谁能更早发现更短的光脉冲。科学家们在努力观察电荷是如何在分子内部移动的，当你从水分子中移除一个电荷时，你能看到其他电荷的运动过程。大概在2001年时，我们在实验室尝试用特殊的办法产生一系列的光脉冲，并研究它们之间的相互关系。很高兴我能够成为第一个产生阿秒光脉冲序列的人。

　　广州日报：获得诺贝尔奖对您意味着什么？

　　皮埃尔：我从来没有想过我的工作有一天会获得诺贝尔奖。当我意识到这一点时，这项研究已经走到这一步，真是太棒了，我把它看做一种馈赠。我收到了当时从事同样实验的许多人的祝贺信息，我真的很感激他们，感谢俄亥俄州立大学在我从法国院校退休后于2005年给了我工作的机会和场所，希望他们能从这次诺贝尔奖中获益。对我个人来说，这表明我和团队之前选择的超快原子物理研究方向是正确的。

　　我也为另外两位获奖者感到高兴。我们同时发现了一种产生短脉冲并测量它们的方法，这打开了一个持续了20多年的超快原子物理的广阔领域。这像一个梦，这个梦今天实现了。

　　广州日报：有没有和家人一起庆祝获奖？

　　皮埃尔：在被通知获得诺贝尔奖当天，我给孙子和孙女打了电话，他们都在巴黎，我们当天进行了一个隆重的家庭聚会。我还邀请我的家人到时一起去斯德哥尔摩诺贝尔奖颁奖典礼现场，这对我来说是一个很大的奖赏，我很高兴和他们一起分享我的快乐。在我看来，这种快乐和获奖同样让人愉悦。

　　掌握规律并用于实践

　　仍在以光脉冲探索电子世界

　　广州日报：您觉得为什么这项研究成果能够获得诺贝尔奖？

　　皮埃尔：实际上这是我20多年前的作品，当时我还在法国原子能委员会(CEA)萨克雷分会担任研究员。说实话，我没想到这项研究能达到获得诺贝尔奖的地步，但它确实发生了，很多科学家都对我的研究方法和结果感兴趣，我想这就是诺奖组委会把这个奖项授予这项研究的原因。从那时（2001年）起，就有很多关于阿秒和如何使用阿秒进行研究的论文。今天大家对阿秒的研究已经走得很远了，我感到很高兴。

　　捕获一个电子的运动并没有真正的意义，掌握其中的规律并把它用于实践才有意义。在分子运动中，电荷的所有运动都在阿秒的时间尺度内，大量实验表明，当你从分子中提取电子或电荷时，可以使用阿秒光脉冲来追踪其他电荷的行动轨迹，尽管这很难，我通过特殊的办法可以观察到阈上电离的过程，并制造出更短的光脉冲出来，为观察电子内部运动的微观过程提供了可能性。

　　广州日报：在实验中您使用的是什么特殊方法？

　　皮埃尔：我们使用的特殊方法是在频域中检索频谱相位，这对于确定脉冲的持续时间至关重要。正如我之前所讲，我们在实验中产生了一系列连续的光脉冲，这些光脉冲序列就像一列有许多节车厢的火车。将“脉冲列车”中靠后的脉冲与原始激光脉冲的延迟部分叠放在一起，以观察高次谐波的相位如何匹配。当然，在这个过程中，我也一直关注着学术界关于这方面的论文，也从别人的思路中受到不少启发。

　　广州日报：后来您在这方面还做了哪些研究？

　　皮埃尔：后来我去到俄亥俄州立大学任职。在那里，我与物理学教授路易斯·迪莫罗（Louis DiMauro）一起在超快原子物理研究小组工作。我们的工作使科学家能够利用光脉冲捕捉到电子的运动，要知道电子的运动速度可以达到每秒43英里的惊人速度。我们将这一技术进步与埃德沃德·迈布里奇（Eadweard Muybridge）的做法进行了比较，当时他在一个赛马场工作，开发了一种可以定格马匹驰骋运动的相机，按顺序播放这些照片就产生了最早的电影画面；而我们实现的阿秒时间飞跃比他的相机快门快了千亿倍，他们说我发明了一台“高速摄像机”。这点很重要，因为电子是“物质的黏合剂”，现在既然你可以为它们计时，你也可以干预并改变它们的结果，例如设计可以优化电子操作速度的新设备。

　　实际上，这些年我一直试图用最短的激光脉冲探索电子的世界。这也是我今后几年探索的方向。

　　阿秒光脉冲将改变生活

　　有望在未来取得化学领域突破

　　广州日报：阿秒光脉冲的产生，对其他学科的研究有帮助吗？

　　皮埃尔：飞秒在飞秒化学中非常有用。比如，曾经在1999年获得诺贝尔化学奖的泽维尔在飞秒化学领域已经有了许多探索。在化学反应中，反应物转变为产物的中间状态被称为过渡态，分子中的原子在这一阶段发生振荡，但过渡态时间很短，很难被观测到，在飞秒级时间尺度上发生，科学界此前一直无法对这一超快速变化进行观测；泽维尔用一种激光光束拍摄过渡态中原子振荡的过程，帮助科学家通过“慢镜头”观察处于化学反应过程中的原子与分子，从而让对过渡态的研究成为可能。

　　如果我们有了更高速的工具，人类就可以彻底窥探到电子的世界。所以我预计，阿秒化学有望在未来数年有突飞猛进的发展。一些化学反应，实际上是在阿秒级时间尺度上带电粒子间的相互作用，利用阿秒激光脉冲，就可能观察各种化学反应的过程，从而理解反应机理，进而对化学反应的过程进行控制。我们可以把它看做是人类研究微观世界的“眼睛”。

　　广州日报：有科学家指出，在阿秒尺度上对电子的研究，将有助于超高速电子学的快速发展，未来是否会因此而生产出具有更高计算能力的计算机？

　　皮埃尔：是的。阿秒光脉冲的发现将改变我们的生活。它目前已被用于探索原子和分子内部的详细物理过程，在电子学和医学等领域都有潜在应用。在利用高强度激光效应将探测时间范围放到阿秒尺度时，我们可以看到电子在原子、分子和物质的凝聚相中的移动过程，也有助于我们搞清楚一些物理和化学现象发生的原因，并催生出一批高精度观测装置的诞生。

　　广州日报：在您看来，未来还会产生更短的光脉冲吗？

　　皮埃尔：目前的世界纪录是43阿秒的单次脉冲，我相信随着时间的推移，我们还会寻找到更短的光脉冲。

　　期待再来中国交流

　　“努力忘记我已经82岁”

　　广州日报：您以前来过中国吗？与中国科学家是否有过交流？

　　皮埃尔：是的，我来过中国好几次了，我和中国的多位从事阿秒研究的科学家有过交流。我还不知道我接下来的日程，它将由俄亥俄州立大学安排，有机会的话我希望能再来中国作交流。

　　广州日报：最近，斯坦福大学学者发表的一项研究显示，有的科学家在获得诺奖后，其工作效率和科研产出大幅下滑，就好像“诺奖即顶点”，您对此怎么看？

　　皮埃尔：我也看到了相关报道，一些人在获得诺贝尔奖之后，以后的学术成就会下降。我会尽力避免这种情况，不让这次获得诺奖成为我学术的“顶点”。我们也要留意到，在诺贝尔奖历史上，也曾经有人多次获奖。在我看来，作为科研人员，我们完全可以沿着“顶点”一直攀登上去，我会努力忘记我已经82岁了。

　　诺奖得主背后的故事：

　　60岁“退休”、82岁获奖的他

　　喜欢“让聚光灯打在别人身上”

　　实际上，在获得今年诺贝尔物理学奖之前，社交媒体上关于皮埃尔·阿戈斯蒂尼的消息很少，甚至关于他的个人介绍网页都是在他获得诺奖之后才有的。

　　此次，皮埃尔与来自马克斯普朗克量子光学研究所的费伦茨·克劳兹（Ferenc Krausz）以及来自瑞典隆德大学的安妮·吕利耶（Anne L'Huillier）分享了这个奖项。诺贝尔奖委员会表示，三位获奖者为人类探索原子和分子内的电子世界提供了新的工具，并展示了一种制造极短光脉冲的方法，这种光脉冲可用于测量电子移动或能量变化的快速过程。

　　如何让光脉冲达到阿秒级，这是当年科学家们一直想解决的问题。大家的共识是，可以通过组合多个波长的短波激光脉冲来产生更短的光脉冲。

　　皮埃尔介绍，飞秒激光脉冲的强度很大，将飞秒激光聚焦在惰性气体上，惰性气体原子会吸收多个光子，出现阈上电离（ATI）现象。早在1979年，他所在课题组就首次在实验中观测到阈上电离现象；1987年，他与合作者在CEA研究所首次在实验中观测到高次谐波现象：当飞秒激光聚焦在惰性气体上就会观测到高次谐波，高次谐波对应的波长在极紫外波段，电场振动周期远小于1飞秒，因此高次谐波具备获得短于1飞秒的脉冲（即阿秒光脉冲）的可能性。

　　研究中皮埃尔发现，高次谐波之间会相互作用。当高次谐波的波峰重合时，光会变得更强，而当波峰与另一个周期的波谷重合时，光会变弱。在适当情况下，高次谐波互相重合，会产生一系列新的光脉冲，基于高次谐波产生再结合相位匹配技术，皮埃尔在2001年获取了阿秒光脉冲，在此过程中他观察到每个脉冲仅持续250阿秒。他也成为首个获取阿秒脉冲序列的学者。

　　然而，2001年，在这项关键研究发表后不久，刚满60岁的皮埃尔就因为法国的退休政策被迫退休，实际上他当时还没做好退休的准备。后经多方辗转，在路易斯·迪莫罗教授的力荐下，皮埃尔于2005年入职俄亥俄州立大学，在那里成立了阿戈斯蒂尼-迪莫罗超快原子物理研究小组。皮埃尔平时教授超快激光的课程，与迪莫罗共同管理实验室，但并没有单独带学生。

　　迪莫罗表示，尽管皮埃尔取得了巨大的成就，但他是一个谦虚的人，喜欢让聚光灯打在别人身上。学生们喜欢和他一起工作，把他当作“候补顾问”。“他喜欢和学生们交谈，是一个非常善良、慷慨的人，是一位真正的学者。”