「阿秒」突破了快門極限 超快光學領域的第四座諾貝爾獎

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「阿秒」突破了快門極限 超快光學領域的第四座諾貝爾獎

二○二三年諾貝爾物理學獎由美國俄亥俄州大學學者亞谷斯蒂尼、法籍瑞典物理學家呂利耶及德國慕尼黑路德維格馬克西米利安大學學者克勞茲獲得殊榮，表彰三人在於「阿秒（attosecond）物理學」的貢獻。國內學者解讀，該貢獻有助於理解材料科學，也有助於開發半導體電子元件，也是短脈衝、超快光學領域的第四座諾貝爾獎。

台灣科技媒體中心昨邀國內學者，解析今年諾貝爾物理學獎得獎研究的重要性。清華大學電機工程學系副教授陳明彰表示，人類眨眼睛是十的負三次方秒，奈秒是十的負九次方秒，飛秒是十的負十五次方秒，阿秒則是十的負十八次方秒。

他說，一九八○年代最短脈衝只到飛秒，二○○○年後出現非線性光學，再到阿秒被發現，人類才能看見電子如何在奈米世界中運動。

陽明交通大學生醫光電研究所助理教授賈世璿以「快門」形容阿秒。他說，快門愈短，才能捕捉愈瞬間的即時影像，科學家一直想突破快門極限，直到阿秒出現，才能看見電子運動的行為，這樣的脈衝也叫做「超快光學」，當把傳統奈秒速度提升，阿秒領域可操控光，嘗試製作電子開關。

陽明交通大學電子物理系教授羅志偉說明，超快光學都是短脈衝，這已是繼一九九九年化學獎頒給飛秒動力學、二○○五年物理獎頒給雷射光梳、二○一八年物理獎頒給脈衝放大技術後，該領域的第四座諾貝爾獎。他表示，因為有了短脈衝，就有快門很快的照相機，可拍攝電子動態變化。

羅志偉也提到，運用短脈衝雷射，可以看見電子、聲子、自旋互相產生的作用力，當今可利用雷射技術，把絕緣體變成金屬，就是電子、聲子、自旋互相的作用力，包含現在工業應用、半導體世界，可把本來不導電的絕緣體，在雷射作用下，把電子搬到導帶，瞬間就變成導體，可用於製作高速電晶體、電子元件，或用光源去操控材料，開發出不同的運用方式。

中研院物理研究所助理研究員溫昱傑則說，阿秒有助於人類觀察電子在不同物質中的特性，也有助於理解與操控物質中的電子行為，包含量子材料、半導體產業，會涉及電子轉移、屏蔽與散射作用，有助於半導體電子元件開發，是具長期影響力的技術。

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科學觀測技術一再突破，現在利用短脈衝雷射可在極短的時間（極超快門）觀測電子運動的即時影像！此一技術，將人類的眼睛解析度提升至極小的世界中，有助於開發新的電子材料與電子元件！以後微型化的電子元件將進一步提升人類的生活便利性！

pushman

汪純安
2小時
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今年的諾貝爾物理學獎頒給原秒脈衝，很多人可能會覺得attosecond聽起來沒有黑洞那麼酷炫，其實大家都是在探索宇宙的某一種本質。用望遠鏡能看到的無限大的光年外，和用顯微鏡去看無限小的時空底層，兩者都是在探索我們存在的邊界。從2020年的黑洞，2021年的Chaos，2022年的量子糾纏，聽起來都是不明覺厲的酷東西，相比之下attosecond pulses什麼原秒光脈衝聽起來好像比較沒有那麼耳熟？
1個attosecond原秒之於1秒，相當於1秒之於300億年，宇宙也才137億年，也就是說，用原秒脈衝來觀測一秒內的事，等於是把一秒延長成三百億年的慢動作。
我覺得要理解他厲害在哪，首先要理解所謂”看見”或觀測到底是什麼意思。“看見“的意思是你要有分辨它的能力，去區分這個東西的存在與環境有什麼不同。
要看見一個東西的【存在】，你的波長要比那個東西小
Xray的能量在keV等級，波長差不多是一個原子(1E-10m)；
Gamma-ray的能量在MeV等級以上，波長可以小到一個原子核(1E-15m)。能量越來越高，理論上我們就可以看到更小，更小，更小的存在，沒有上限和下限。目前我們能夠達到的最高的能量在TeV（1E14 eV）等級，波長差不多就是一個Attometer(1E-18m)，比原子小一億倍。
即便是這樣，我們還是沒能看清電子長什麼樣子。1919年的時候，耳熟能詳的康普頓散射的Compton使用當時能量最高的gamma雷射也看不太見電子，所以他說電子至少小於1E-12m。現在我們說電子至少小於1E-18m。基本粒子目前是說應該是看不見的，等同於“沒有半徑” - 但電子又是那麼不可否認的存在著，沒有電子，我現在根本沒有電腦沒有網路訊號在這邊發廢文XD 到底是怎麼回事呢？未解之謎又多一個。
而如果要看見一個東西的【動態】，你的每幀(pulse)就要比它動作的速度快
Attosecond Laser能夠做到一百萬兆分之一秒一幀，所以現在我們終於可以看到電子的運動，可以看見電子離開原子核的過程XD 我們生活的一切都跟電子密不可分。例如說，光電效應時，光把電子打出來的過程，2s跟2p軌域的電子離開時就被測量到有一個20attosecond的延遲。又例如說化學反應就是失去電子跟得到電子，鍵結被破壞跟重新形成的過程。以前我們是用推理式的驗證，現在我們能夠真正看見這件事的發生，一定會有新發現幫助我們更好的去理解原理，也幫助我們成為更好的煉金術士XD
再用一個比喻來說，人的腦波的頻率大概在0.5到35Hz之間，週期就是差不多在毫秒到秒這個尺度之間，所以我們的注意力大概就是在“秒”這個等級，小於毫秒之內發生的事可能就分辨不出來。例如說你平常也不會看到螢幕在閃（所謂的refresh rate，通常在60-120Hz之間）。這個refresh rate越高，你就會覺得螢幕裡看到的動作越流暢，反之，refresh rate越低，你就越可以分辨出每一幀的動作，就會感覺到卡卡的。因為我們沒辦法改變自己注意力的頻率高低，如果你希望可以仔細看清楚每一個動作的細節，就只能把播放時間拉長，每一幀停留的時間久一點，變成慢動作來觀察。Ultrafast Laser也是這樣子的概念，因為我們沒辦法改變自然界現象發生的速度快慢，所以我們只能讓laser pulse變的頻率更高，使得在觀測一個現象時就像在看慢動作一樣，可以看得更清楚。
人的思維要是能有attosecond這麼快，需要用一秒做出的決定你現在有三百億年可以想，應該沒有人會衝動做事了（X）
只要選擇對的波長加上對的pulse幀速，我們可以看到任何大小尺度的東西，在任何時間尺度上，做的所有事。如果我們選擇最短的波長和最快的幀速，我們就可以看到最微小的尺度上發生的最快的現象，不知道哪天能觀測到時空最底層(普朗克尺度）的泡沫宇宙膨脹坍縮的過程XD
結論：我們人總是想要看見，好像看見了才能證明真的存在。所以我們一直努力想要再看的更多一些，James Webb Telescope讓我們看的更遠，Attosecond Pulses讓我們看的更詳細，更深入。人一直在用科學增強自己的五感，對世界的感知，我們何嘗不是某種意義上在成為超人XD
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PS. Femto (1E-15)在1999年拿過諾貝爾獎了，今年是Atto (1E-18)，看來以後Zepto (1E-21)一定可以再拿一次，如果想得諾貝爾獎的各位可以考慮現在投身進入zepto領域。