Ultrafast look into atoms and molecules
http://www.physorg.com/news133191346.html
June 20, 2008
超快速測量的新紀錄：Max-Planck Institute of Quantum Optics（MPQ） 與 Ludwig-Maximilians-University Munich（LMU）的物理學家製造出第一個僅持續 80 阿秒（attoseconds，10^-18 秒）的光脈衝。
為了觀察電子在原子中的移動，唯一的條件就是要快。所需要的速度再一次由 Munich-Centre for Advanced Photonics（MAP）的一個物理學家團隊所實現。Ferenc Krausz 教授在 MPQ 與 LMU 的研究團隊還有 LMU 的 Ulf Kleineberg 教授，與他們在美國柏克來 Advanced Light Source 的同僚合作下，創造出持續時間相當接近的光脈衝。
1 阿秒是 1 秒的 10 億又 10 億分之一。這是科學家第一次將度量衡推進到低於 100 阿秒的時間範圍內。這足以即時觀察最快速電子在原子、分子與固體內的移動。對於電子過程的深刻理解，可導致新光源的發展、探索嚴重疾病的微小起源，或使電子資料處理逐步逼近電子的最終限制。（Science, 20 June 2008）
在這個小宇宙中，電子以令人敬畏的迅速移動。在幾阿秒內，原子中的粒子在毗鄰分子或固體的原子間跳躍，從這一處跳到另一個地點。這些跳躍導致光在可見光、紫外光與 X 光光譜的範圍內發出。它們也是導致生物分子、或神經中生物資訊的傳輸出現變形、機能失常的原由。觀察這樣的跳躍需要能觀察如此短暫時間的技術。這得靠光脈衝才能辦到。
為了產生阿秒脈衝，Garching 物理學家在近紅外線雷射光中使用突如其來的強大電場（the strong electric field of flashes）。在超短雷射中快閃這個場，完成了週期幾乎不超過 2.5 飛秒（1 飛秒為 1000 阿秒）的一次強烈振盪。此即：光波現在正好包含了二個高高的波峰以及它們之間深深的波谷。由電的光場施加在電子上的力於峰頂以及波谷的最低處最為強大；這強度足以使實驗中，從稀有氣體的原子被轟出來的電子獲得解放。
這留下了離子殘渣。隨著光場的振盪，力會改變方向且很快地將電子擲回離子殘渣中。自由電子的再度碰撞引發超快速的電子振盪，那持續只有幾阿秒，也因此發出了持續時間一樣短的閃光。這些閃光位於超紫外光（ extreme ultraviolet light，XUV，波長約 10 - 20 奈米）的範圍內。
這種受控制而產生的、超短閃光內的單一強光振盪，現在讓 Garching 研究團隊首度能在單一雷射脈衝期間內，剛好釋出 3 次電子。在恢復離子時，它們接著發出 3 阿秒的脈衝。每一道飛秒雷射閃光從而產生 3 阿秒的脈衝。這些脈衝之一有特別高的強度，在 80 阿秒的週期內提供超過 1 億個光子。此脈衝以 Ulf Kleineberg 教授特製的 X 光鏡濾出，產生持續時間為 80 阿秒的、單一一道被隔離的 X 光脈衝。這個新產生的阿秒脈衝，空前的短促與強烈，它的存在應歸功於物理學家能夠運用他們的雷射閃光將離子化（電子的釋出）限制在雷射光的單一振盪週期的能力。
藉由他們的實驗，Garching 物理學家使度量衡技術前進到迄今仍然陌生的時間維度。"短於 100 阿秒的脈衝將能夠接近迄今無解的電子動力學，尤其是電子--電子在即時下的交互作用，" Dr. Eleftherios Goulielmakis 說，他是這個團隊的大頭，在 Krausz 教授的研究小組內指導實驗。
"在不可或缺的微小程序中，電子無所不在，正如同科技一樣。它們超快速的移動統治著所有生物學與化學過程的路線，以及構成電腦核心的微處理器的速度，" Ferenc Krausz 解釋。這些過程（諸如電子間的能量轉移或粒子對於外部影響的反應）當中有許多能在幾阿秒的時間內發生。"有了我們的光脈衝，我們能使這些現象更清晰可見，" Austro-Hungarian 物理學家補充道。正如同高速攝影學，當它們閃爍的光脈衝更加短促，來自於小宇宙的影像會使所有東西更鮮明。"憑藉著阿秒技術，我們有一天應當能夠在即時的情況下觀察電子在分子中的微小移動，如何使疾病，例如癌症，產生。我們應同樣能在原子迴路中以紅外光，在每秒數兆次的情況下開關電流，" Ferenc Krausz 說。
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