罗伯特·琼斯教授的研究与诺贝尔奖获得者的工作有一些重叠，在阿戈斯蒂尼几年前退休之前，他曾与皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)合作，作为一个多所大学团队的一部分。(图片来源:Dan Addison, University Communications)

本周二，诺贝尔奖颁发机构宣布，美国的皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、德国的费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)和瑞典的安妮·卢里耶(Anne L'Huillier)将获得物理学奖，以表彰他们利用短光脉冲捕捉单个时间内电子运动的工作。

弗吉尼亚大学今天邀请了弗吉尼亚大学弗朗西斯·h·史密斯物理学教授罗伯特·琼斯来解释他们三人获奖的工作性质。Jones的研究领域包括实验原子、分子和光学物理、实验化学物理和实验量子信息。

问:这三人在测量电子运动方面的工作意味着什么?

答:他们已经开发出了产生非常短的光脉冲的能力。这些光脉冲，就像相机上的闪光灯或快速快门一样，可以用来捕捉或定格运动。

想象一下，你正在观看一场足球比赛，你想拍下比赛的照片。如果你不想让照片模糊，你就必须有一个快速的快门或闪光灯，在非常非常短的时间内照亮场景。电子就像分子或物质中的工作流体，当力起作用时，它们运动得最快。

这种运动可以非常快。想象一个电子绕着原子运动，就像地球绕着太阳运动一样。这个电子在它的轨道上移动大约需要100阿秒。问题是，阿秒是多少?

一阿秒有多短有几种简写方式。其中之一是，一秒钟有多少阿秒，就像宇宙年龄有多少秒一样。所以对于分子或物质中的电子来说，我们生命中的一秒钟就像是宇宙的年龄。相关的时间尺度截然不同。

如果你不能直接观察运动，你也许可以通过应用物理定律和有时近似的理论来推断原子尺度上发生的事情。但是，如果你真的想在任何一种科学努力中取得进展，那么真正看到你正在研究的过程是有帮助的。利用这些非常短的光脉冲，能够拍摄电子运动的快照，给你以前根本无法获得的信息。

问:他们是怎么做到的?

答:这是一个漫长的过程。简单地说，这些阿秒光脉冲是当一个非常非常强的激光束聚焦到原子气体中时产生的。这些原子中的电子对激光光波中的电力作出反应。当力非常强时，带负电的电子会从捆绑它们的带正电的原子核中被撕裂。

但是，由于光是一种有波峰和波谷的波，当强光周期性地反转时，在波峰附近被释放的电子随后会被赶回到它来的地方，猛烈撞击它的母离子。当它这样做时，它可以重组成一个原子，以微弱但非常短的光爆发的形式释放它所获得的所有能量。真正困难的部分是让气体中的所有原子和电子一起工作，这样所有这些微小的爆发就会协同作用，形成一束明亮的阿秒脉冲。

问:为什么这一点如此重要?

答:这很重要，有几个原因。科学家们探索并试图理解未知的事物。这是一个工具。我们需要工具来帮助我们了解在不同的时间、距离和能量的极端情况下发生了什么。科学家们正在不断创造新的工具，在不同的尺度上研究我们的宇宙，无论是用来回顾宇宙的韦伯(太空)望远镜，还是用来观察电子在分子周围运动的阿秒光脉冲。我们的观察为基本问题提供了答案，并指导了我们关于事物为何存在以及它们如何运作的理论。

这也有实际意义。这实际上是利用我们对物质的理解在最精细的层面上——单个原子和电子——试图控制它的性质和行为。如果我想让一个电荷尽可能快或尽可能有效地通过一个分子将光转化为电能或开始化学反应，我该怎么做?一种方法是观察电荷是如何移动的，从光照射到分子的瞬间开始，首先移动的是电子。

问:这项工作的实际应用是什么?

A.实际应用与最精细的控制和工程有关。一个应用是优化电荷和能量在分子或材料中的流动。当光被吸收时，电子运动的第一步是什么?这是如何决定电荷如何通过材料或分子将光能转化为电能的?如果你想做一个光电池，能量传递需要多长时间，我们能不能提高这个速度?在所有的电子产品中，当电荷需要移动一段距离时，就会有能量损失。我们能不能利用快速电子运动的信息来最小化损耗，用最少的光来获得最多的电?

另一个潜在的应用是超高速电子。目前的电子产品，如电脑和Wi-Fi，处理数据的速率只有几兆赫兹。但是材料中的单个电子能够以比这快得多的速度来回移动。对于某些应用，我们可能能够将处理速率移动到光学而不是微波状态。其中一个例子就是光波电子学，其中的电子开关是由光波本身驱动的，其速率要高出10万倍。

问:这对你的研究有帮助吗?

答:是的。我们的一些工作涉及到阿秒脉冲，我们许多研究的中心焦点是试图观察和控制原子和分子中的快速电子运动。我现在的一个合作项目是寻找电子在分子长度上的周期性振荡。这可能是由于在强激光中光波波峰附近的一个电子被快速移除。这对于确定分子间永久电荷转移或化学反应的速度或效率可能很重要。Pierre Agostini在几年前退休之前实际上是我们多所大学团队的一员。