魏茨曼研究所的研究人员开发出一种能在阿秒级尺度上跟踪材料超快变化的方法。通过巧妙运用同步激光脉冲，观察光与物质在阿秒级的相互作用，揭示激光对物质内部量子能级的改变，为超快计算、精确材料控制以及观察运动中的电子等领域带来新的可能。
你是否能想象这样一幅神奇的画面：在不到十亿分之一秒的极短时间内，材料就能从透明状态瞬间变为不透明，或者其属性被迅速重塑。如今，魏兹曼研究所的研究人员已经成功开发出一种独特的方法，能够对这些超快变化进行跟踪，他们采用的是一种极为巧妙的同步激光脉冲技术。
科学家们通过深入观察光在阿秒级尺度上与物质的相互作用，如今已经能够清晰地看到强大的激光是如何改变物质内部的量子能级的。这一重大突破意义非凡，它为实现闪电般快速的计算、进行精确的材料控制，甚至为观察运动中的电子开辟了全新的方法，为应用技术和基础物理学都开拓了崭新的领域。
瞬间将一种材料从不透明转变为透明，或者从导体变为绝缘体，这样的情景听起来仿佛只存在于科幻小说之中，但在不久的将来，它很可能会成为现实。近年来，科学家们已经开始利用激光以极快的速度控制物质的特性，而且这种控制仅仅只需一个光波周期。然而，这些变化发生的时间尺度是阿秒级（十亿分之一秒的十亿分之一），如此短暂的时间使得这些变化很难被观察到。
现在，在《自然光子学》杂志发表的一项重要研究中，魏茨曼科学研究所的 Nirit Dudovich 教授及其团队成功开发出了一种具有突破性的方法，用于追踪这些超快的物质变化。这一在阿秒科学（探索自然界中最快过程的领域）方面的进步，有可能为超快计算和下一代通信等先进技术打开全新的大门。
Omer Kneller 博士（左）和 Chen Mor 在激光束进入实验装置前对其进行引导。该实验需要强大的激光束，能够产生极短的阿秒光脉冲。
为了更好地理解这一方法的原理，我们不妨想象一下彩虹的形成过程。当阳光穿过雨滴时，它的速度会减慢，并且会发生弯曲，也就是折射现象。不同颜色的光在穿过雨滴时速度会略有不同，从而散开形成美丽的彩虹。通常情况下，我们认为像玻璃或水等材料是以固定的方式来折射光的。然而，研究人员发现，强大的激光可以改变材料减慢光速的程度，而且这种改变能够在极短的时间内完成。
魏茨曼团队提出了一个大胆的设想，如果他们能够精确测量光穿过材料时激光所引起的微小延迟，那么就能够准确地揭示激光是如何实时改变材料特性的。
以阿秒精度追踪材料变化
这种新测量方法的开发是由魏茨曼复杂系统物理系杜多维奇实验室的三名研究生 Omer Kneller、Chen Mor 和 Noa Yaffe 领衔完成的。
该方法使用了两束激光。第一束激光具有非常强大的能量，由相对较长的脉冲组成，它可以改变光在特定材料中所经历的光学延迟。另一束激光则发射极短的阿秒脉冲，这些阿秒脉冲就像是一台慢动作摄像机，能够捕捉到极短时间内的变化。
这些阿秒脉冲被复制成两个副本：其中一个副本不与材料发生相互作用，作为参考；另一个副本则穿过材料，与材料相互作用，并记录下由这种相互作用所引起的阿秒延迟。当这两个副本最终结合在一起并相互干扰时，这种干扰现象能够让研究人员精确地重建光穿过材料时所经历的光学延迟的变化。
（左）Omer Kneller 博士、Nirit Dudovich 教授、Chen Mor 和 Noa Yaffe。
在量子力学的领域中，材料的性质是由其能级所决定的，这些能级形成了一种能量阶梯。电子可以通过获得或失去恰到好处的能量来在这个能量阶梯上上下移动。强大的激光能够通过改变能级的位置来改变这个能量阶梯；它既可以让两个能级合并为一个，也可以将一个能级一分为二。
就如同 Waze 等导航应用可以预测从 A 点到 B 点的旅程所需时间一样，新方法通过测量阿秒脉冲所经历的延迟，来重建电子在不同能级之间行进的路线。反过来，通过分析电子的这一旅程，研究人员就能够了解材料中的能级是如何响应激光而发生变化的。起初，科学家们运用这种方法来研究激光如何改变单个原子的性质。然而，他们还进行了理论计算，结果表明他们的新方法同样可以用于揭示光与更复杂材料之间的相互作用。
“一旦我们能够追踪单个电子在能级之间的‘旅程’，我们就可以利用光在数百甚至数十阿秒内精准地控制材料的特性，”杜多维奇表示。“这种能力有可能会促使开发出速度最快的处理器，从而大大提高数据传输或处理的速度。我们的新方法也对基础研究产生了重要影响：我们希望它能够帮助我们创建运动电子的快照，揭示各种以前难以触及的量子现象。”
本文介绍了魏茨曼研究所研究人员开发的追踪材料超快变化的方法。该方法利用同步激光脉冲，以阿秒精度观察光与物质相互作用，揭示激光对材料量子能级的改变。这一突破为超快计算、精确材料控制等领域带来新机遇，有望推动相关技术发展，并助力基础研究揭示更多量子现象。
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