【2023諾貝爾物理獎深度解析】走進電子運動的世界—埃秒光脈衝的進展與應用

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  許芷辰 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 當雷射穿過氣體時,會產生紫外線的波,若同時疊加很多種波長的波,越多種不同波長等於越大的頻寬,越大的頻寬能生成越短、且越集中的埃秒脈衝。

埃秒光脈衝突破了人類觀察極短時間內粒子活動的極限,現在我們可以一窺電子運動的世界,撥開電子運動軌跡的謎團!為表揚對發展埃秒光脈衝的產出方法之貢獻,2023年諾貝爾物理獎頒發給皮耶.阿戈斯提尼(Pierre Agostini)、費倫茨.克勞斯(Ferenc Krausz)和安妮.呂利耶(Anne L’Huillier)。

一張走進電子運動世界的入場券

2023年諾貝爾物理獎表彰了「埃秒(attosecond)光脈衝」對世界的貢獻,我們有幸邀請到深耕「埃秒脈衝」領域多年的國立清華大學電機系陳明彰副教授分享其發展歷史與未來應用。人眼解析的尺度約為每秒幾十幀,我們只能模糊看見一隻蜂鳥的疾疾振翅,無法用肉眼觀測的快速事件就要仰賴技術與攝影機的捕捉。在埃秒(10-18秒)尺度出現之前,科學家們現有的技術對時間解析度僅僅支援至10-14秒,恰恰能觀測到原子核的變動(約10-15秒至10-14)。1999年諾貝爾化學獎表揚埃及裔化學家亞米德·齊威爾(أحمد حسن زويل,譯:Ahmed Hassan Zewail)奠定了飛秒(10-15秒)化學的研究,可見提升時間解析度實為一重要發展,但是電子的位置和能量卻依然以那時我們望塵莫及的速度在快速變化著(10-18秒至10-16秒)。

在受訪時,陳明彰副教授興奮地形容埃秒尺度的光脈衝給了世人一張「解析大自然萬物設計原理的入場券」。電子作為基本粒子之一,不論大至宇宙內的故事,或是小至你與我生命跳動的每一刻,所有的一切皆能被解析成電子之間的活動,然而人類過往的技術從未能帶領我們看到電子的「運動」,而「埃秒脈衝」的問世無疑是為我們打開電子運動世界的大門!

實現理論的機緣:【高次諧波產生(HHG)】產生新波長、新頻率

透過數學模型,我們知道只要有足夠多特定波長和振幅的波,則可以建立任何波形甚至脈衝(pulse)。雖說埃秒光脈衝在理論物理學家討論中並非新面孔,但是如何在現實世界中創造出時間尺度極短的脈衝則是令實驗物理學家頭痛的難題。1980年代底Anne L’Huillier與她的同事們發現,利用3×1013 W cm-2的強紅外線雷射束聚焦到惰性氣體靶,例如氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等氣體,可觀察到一系列不同波長的高次諧波產生(High harmonic generation, HHG)。

高次諧波產生(High harmonic generation, HHG):強雷射光穿過惰性氣體時,引起光的電場振動,從而扭曲原子核周圍電子的電場,使得氣體原子的電子有機率透過穿隧效應(Tunneling Effect)游離(ionization)。游離後的自由電子在外部雷射光電場中獲取大量額外能量且加速(acceleration),但因為光的電場會不斷隨時間變化而改變方向,所以當電場振動時,部分電子撞回到母原子核(recombination),同時則以光脈衝的形式釋放所累積的動能與電離能。在單原子氣體中(惰性氣體),由於中心對稱性的原因,只能產生頻率為初始雷射頻率奇次倍的諧波(harmonic),偶數倍的諧波會互相干涉(interference)而相消,這個作用產生的諧波稱之為高次諧波產生(High harmonic generation/HHG)。

Anne L’Huillier觀察到的HHG讓科學家們能製造出更高頻率的波,把所有新頻率疊加,有機會將其合而為脈衝,為實驗物理學家們奠定日後實現埃秒脈衝理論的夢想。

化夢想成為可能:【相位鎖定(Phase-locked)】合為埃秒脈衝的機會

脈衝(pulse),相對於連續信號波來說,脈衝是指在整個信號週期內只有短時間內發生的信號突變,發出訊號後會迅速回到其初始狀態的過程。就如同照相機的快門,想要「拍」到電子運動的畫面,那就需要埃秒等級的超快速「快門」。要能夠產生光脈衝,並須同時疊加很多種波長的波,越多種不同波長等於越大的頻寬,越大的頻寬能生成越短的脈衝。HHG 的發現為埃秒光脈衝帶來可能,但其中HHG生成的某些過程起初無法被測量,尤其是諧波發射時間尺度相關的問題不容易解决。另外,各個諧波的相位(phase)關係因為發生在亞飛秒(subfemtosecond )時間尺度上,當時技術並未能量測到,若不清楚相位關係,則無法疊加HHG成為我們想要的極短卻高強度的脈衝。

而化夢想為可能的關鍵就是2001年Pierre Agostini與他的研究團隊產出了一系列連續的光脈衝。他們的研究團隊疊加了飛秒(10-15秒)雷射產出的HHG,利用雙光子(two-photon)與雙色光離子化(two-color photoionization)方法,將產出的脈衝序列(pulse train)與延遲(delay)的原雷射光束放在一起觀察,證實了其產出的HHG之間相位鎖定(Phase-locked)。

Pierre Agostini看到的相位鎖定結果,產生一連串250埃秒的脈衝序列,正式讓埃秒光脈衝從理論中走進實驗室。

實用價值的展現:【獨立(Isolated) 】更大頻寬、更短脈衝寬度

為了體現埃秒光脈衝的實際應用價值,Ferenc Krausz與他的研究團隊將單一脈衝獨立(isolate)於產出的脈衝序列(pulse train)中,產生孤立埃秒脈衝(isolated attosecond pulse,或譯:單埃秒脈衝)。

2000年代初,不斷改進更迭的埃秒設備,讓我們更接近產出孤立埃秒光脈衝,Ferenc Krausz與他的研究團隊利用鈦藍寶石(Ti:sapphire)作為雷射介質,透過其超寬頻寬的特性產生脈寬極小的脈衝,在奧地利的實驗室中成功產出世界上第一個獨立的埃秒光脈衝,脈衝持續時長為650埃秒。

Ferenc Krausz獨立出的埃秒光脈衝成為埃秒計量學的先驅,用於未來開發捕捉電子運動的技術,拿到了走進電子運動世界的門票。

臺灣的埃秒光脈衝

過去用來產出埃秒光脈衝的鈦藍寶石雷射與各種後壓縮技術卻在實際工業應用上有著致命的缺點,其只能輸出小於10 W的功率,若能提高光脈衝重複速率和平均功率,將克服埃秒光脈衝的局限性,應用在工業上的開發與創新。

2022年國立清華大學電機系陳明彰副教授與其團隊,嘗試使用摻鐿(Ytterbium, Yb)雷射(因其輸出功率可以高至100 W),成功產生全世界第一個利用摻鐿雷射且僅有290埃秒的孤立埃秒光脈衝。研究團隊獨創「展頻壓縮」技術,首先激發更多不同頻率的波,再對各個光波進行相位補償並疊加,經過多次的展頻與壓縮,成功縮短160飛秒的脈衝至3飛秒,且效率高達75%,用3飛秒產生HHG後極紫外光脈衝為290埃秒。

埃秒極紫外光光脈衝已應用在半導體奈米級元件檢測技術及機台,除此之外,就如同陳教授提到的「解析大自然萬物設計原理的入場券」,現在我們有更好的時間解析觀測技術,埃秒光脈衝讓我們有機會一窺電子的運作,有望在未來某一天解碼了自然運作的設計原理,開發出新時代的產物,成為世界科技發展的奇異點!


參考文獻

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