納秒光學,皮秒光學,飛秒光學,阿秒光學在科學和工程中各有什麼應用?

時間 2021-06-08 07:43:35

1樓:芝士分子

工程中:

測距、引導、飛彈引信(這些基本是微秒和納秒脈衝)醫療(皮秒、飛秒居多)

科學研究:

幫浦浦(這是個廣義點的概念,具體說就是幫浦浦激發某些物理效應,比如LIBS光譜。另外電離原子就需要很高的電場強度,壓縮脈寬就是很好的辦法,很多時候阿喵脈衝用在激發物質上。電離原子、電離原子核甚至還要分解質子)

2樓:Yiming Pan

我們知道通常的化學反應過程 (化學鍵的形成和斷裂)所對應的動力學過程的時間尺度是多少呢?是飛秒(femtosecond)。也就是說,我們可以利用飛秒光脈衝結合pump-probe技術來記錄整個化學反應的真實動力學過程,參看諾貝爾得主A.

Zewail的相關工作。

另外,我們知道通常的熱漲落引起的退相干過程(quantum decoherence)的時間尺度是多少呢?是皮秒(picosecond )。所以,想要實驗上去記錄退相干過程,皮秒光脈衝其實就基本可以了。

那麼,為什麼需要做阿秒光脈衝呢?我們發現在固體材料中,電子在原子核附近的運動時間尺度,基本上都是阿秒的。比如說,電子繞核運動的週期大約是150 as (阿秒)[利用經典模型來估計],電子在原子與原子之間的hopping也是阿秒的,一般的電子的量子隧穿(quantum tunneling)的尺度上限大約是1.

8 as(參看 Satya Sainadh et al., Nature 2019)。而我們熟悉的光電效應發生的時間尺度也是阿秒的,而且對於超導中的電子Cooper pair的形成時間也基本是阿秒尺度的,甚至更小一些。

所以實驗上去記錄單個電子的動力學行為,我們用阿秒光脈衝結合pump-probe技術就可以實現。

為什麼我說阿秒光脈衝是研究電子強關聯行為的福音呢?就是因為我們可以看到電子是如何發生相變,從乙個相變成另乙個相。而強關聯系統中的各種」奇妙「的近似(平均場的,或者非平均場的),就會找到序參量運動的實驗證據。

這就好比,一百年前左右,依然有一些哲學家們還在否認原子的存在,因為沒有人真正看到原子,但是後來電子顯微鏡的發明讓我們看見了原子。而阿秒光學可以讓電子的強關聯行為,變成乙個實實在在的」顯學「。

最後乙個問題,假如我們已經非常容易的實現了阿秒光的操控,那麼我們需不需要比阿秒更短的光學脈衝呢?比如說仄秒(ziptosecond )。我可以不負責任地告訴你:

用不著!對於做凝聚態的人來說,阿秒就是我們研究的時間尺度的極限!再複雜的凝聚態行為,在阿秒的尺度上也可以是一幀一幀地來看了。

目前阿秒脈衝的寬度的世界紀錄是43 as (2023年的工作),我們的路還很長,但充滿希望。

(而ziptosecond是為了核物理服務的,可以用仄秒光脈衝來研究正負電子對的產生和湮滅,跟材料沒有什麼關係了。)

---楓林白印, 25-May-2021

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