三位科學家獲諾貝爾物理學獎，揭露電子的高速微觀世界
三位卓越的科學家因為首次讓我們洞察到高速旋轉的電子世界，而獲得諾貝爾物理學獎。這項研究未來或許能引領電子或疾病診斷的新方向。
法國-瑞典物理學家Anne L’Huillier、法國科學家Pierre Agostini和匈牙利出生的Ferenc Krausz因研究原子中心急速旋轉的微小部分，也就是電子，而獲此殊榮。電子在化學、物理、我們的身體和各種設備中都發揮著核心作用。
這些科學家使用越來越快的雷射脈衝，捕捉發生在極快速度上的原子活動，這速度被稱為「阿秒（attosecond）」。
透過他們的實驗，成功創造了極短暫的光閃，足以捕捉電子極快速的運動。想像一下蜂鳥疾速地拍打翅膀，我們的眼睛只能看到模糊的影子和聽到嗡嗡的聲音。為了捕捉這極短的瞬間，我們需要技術上的巧妙手段，例如高速攝影。
同樣的道理，為了觀察和描述快速的過程，任何的量測都必須比被研究的系統變化還要快，否則結果會變得含糊不清。因此，這些得主顯示了一種生產光脈衝的方法，這些光脈衝足夠短暫，可以捕捉原子和分子內部的過程。
諾貝爾委員會主席Eva Olsson解釋說：「一秒鐘的時間就像一次心跳。」要進入阿秒的範疇，那將需要將這1秒切分成1000份的1000份，且重複6次。
雖然科學家可以「看見」電子，但他們能看到的只是其極小部分。L’Huillier表示，電子更像是波，如水波，而不是粒子。科學家嘗試用他們的技術來測量波的峰值位置。
為什麼電子如此重要？電子是「原子如何綁定在一起」的關鍵。這是化學反應發生的地方。Krausz在新聞發布會上指出，電子在我們的生物生活和日常生活中無處不在。若要了解電子如何運作，就需要知道它們是如何移動的。
以下文章轉載東海大學應用物理學系施奇廷教授的原話：
如果我們想看到「分子內部原子的運動」，我們需要「飛秒」（10的-15次方秒，femto-second, fs）等級的閃光燈——我們做這種實驗時會排除背景所有無關的東西，所以比起快門來，更像是閃光燈——我們要送一個「持續時間只有飛秒等級的光波」去打原子，才能弄清楚它的行為，時間太長就會過度曝光糊掉，跟沒拍好的照片一樣。
這種「持續時間超短的光」就叫做「脈衝光」（pulse light）。
至於「原子內部電子的運動」就更快了，電子的動力學時間尺度介於一個和幾百個阿秒（attosecond, as）的數量及，1阿秒是 1/1000 飛秒，也就是「100萬兆分之一秒」這種不可思議的數字。
物理學停在「飛秒」已經很久了，光靠「改進飛秒脈衝光技術」進展有限，想要進入「看得到電子」的阿秒等級，必須有全新的東西，也就是今年的得獎者的貢獻。
要估計「光的時間尺度」最直觀的方式就是「一個振盪週期」，比如說紅光波長700奈米，頻率是每秒振盪430兆次，所以一個振盪週期就是2.3飛秒，就算使用頻率最高的紫光，也只能到1.3飛秒，無法進入阿秒的境界。
不過，我們可以利用「光的疊加」，來製造出時間更短的脈衝。
1987年，Anne L’Huillier讓紅外線雷射通過惰性氣體，產生了一系列的「次諧波」（overtones）——其實就是聲學裡面的「泛音」，只是這裡是光不是聲音。任何一種樂器的發聲部，比如說小提琴的一根弦，它發出的聲音頻率就是由它的弦長決定，兩頭被固定不動，中間振盪這種模式稱為它的「基頻」，不過當這根弦其實還存在別的振盪模式，比如說「正中央那點也不動，把弦長分成兩段各自振盪」，也不違反「弦的兩頭被固定住」的限制，這種模式的聲音頻率是基頻的兩倍，就是第一個泛音，依此類推，還有頻率是3倍、4倍、5倍的泛音。
量子穿隧現象 能跳進又跳出
如果是在古典的世界中，電子還是只能乖乖關在原子裡面，不過在量子的世界裡，由於「量子穿隧現象」，會讓電子有機會穿過中間那個障礙，脫離電子的束縛，跑到原子的外面去，獲得自由！
不過先別高興得太早，電磁波的電場方向會來回振盪，下一個瞬間電子看到的電場（原子核＋電磁波的貢獻）形狀會變成跟剛剛相反（像下圖第3個步驟），變成右高左低，所以如果這個烙跑成功的電子還沒跑遠，就會被這個新的電場給推回去原子的內部，然後電磁波又回到剛好在原子的位置電場是0的狀態，所以電子看到的，又是本來那個「原子陷阱」（像下圖第4個步驟）。
可是這時候的電子，在剛才電磁波推過來又推過去的過程中獲得了能量，為了回到本來穩定的基態，只好把多出來的能量以光的形式釋放出來。這些光的頻率，剛好就是入射光的「泛音」，頻率是入射光的整數倍。
靠著電磁波推拉電子這個「我又跳進來了！我又跳出去了！」的過程，系統內就可以產生一堆這些入射光的泛音啦！
目前這個技術的發展還在持續進行中，可望再往下推到數十個阿秒。
這個「極速阿秒脈衝閃光燈」可以用來更精密的測量「電子動力學」的各種性質，過去由於「快門不夠快」，很多特性都只能量得「一段較長時間內的平均值」，就像是一張糊掉的體育攝影一樣，之後就可以定格看個清楚了。
本篇文章感謝施奇廷教授解說，並轉載其部分原文原話。
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參考出處:
1.諾貝爾獎官網
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