2023 年诺贝尔物理学奖得主费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）教授博士接受了 iGlobenews 的独家专访，介绍了他在关于微观世界电子运动的科学——阿秒物理学方面的研究。阿秒物理学这一年轻的学科首次提供了直接观测电子运动和光波振荡的工具和技术。除了在塑造定制化预防性医疗的未来方面具有潜力之外，阿秒物理学还将在推动电子信息处理达到其极限速度——光速方面发挥重要作用。
Diana Mautner Markhof
2023年10月3日
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2023 年诺贝尔物理学奖和 2022 年沃尔夫物理学奖获得者、奥地利-匈牙利物理学家费伦茨·克劳斯教授博士接受了 iGlobenews 的独家专访。他与法国物理学家安妮·吕利耶（Anne L’Huillie）和皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Argostini）因他们对阿秒物理学的开创性研究共同获得诺贝尔奖。克劳斯教授是马克斯·普朗克量子光学研究所所长，也是路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学实验物理学-激光物理学系主任。他曾就读于维也纳技术大学（TU Wien）和布达佩斯技术大学。他被汤森路透列为 2014 年最具影响力的科学人物之一。由于对物理学的杰出贡献，克劳斯教授获得了 40 多个国际奖项、荣誉教授职位和博士学位。
被称为阿秒物理学的物理学新领域是研究微观世界中电子运动的科学。它首次提供了直接观测电子运动和光波振荡的工具和技术。阿秒物理学有许多应用领域，包括定制化预防性医疗领域。阿秒物理学将在推动电子信息处理达到其极限速度——光速方面发挥重要作用。
iGlobenews: 能否请您为非专业人士介绍一下什么是阿秒物理学？
“无论是发生在原子、分子还是纳米结构固体物质上……这些不可分割的基本粒子的运动都会对我们的生活和现代社会产生深远的影响。”克劳斯教授：一阿秒是十亿分之一秒：即纳-纳秒。 阿秒物理学是一门研究微观世界中电子运动的科学。这些运动是由电子与光的相互作用引发的。可见光波对电子的作用力在几百阿秒内改变电子的强度和方向。电子能够在同样难以察觉的极其短暂的时间尺度上，通过改变其状态（位置、速度）来响应这些超快的变化。无论是发生于原子、分子，还是纳米结构的固体物质——分别是物质、生物体和电子电路的基本组成部分——这些不可分割的基本粒子的运动都会对我们的生活和现代社会产生深远的影响。
原子尺度的电子运动导致光（包括激光）的产生，以及化学键的形成和断裂，这些变化改变生物分子的结构及其在生命系统中的功能，同时也关系到信息处理的最快速度。要从最基本的层面了解疾病的起源，或将信息处理速度提升到极限，就必须了解电子的运动。这种重要的运动通常在几十到几百阿秒内展开。
阿秒物理学这一年轻的学科首次提供了直接观测电子运动和光波振荡的工具和技术。本世纪初，随着阿秒光脉冲在维也纳诞生，阿秒物理学应运而生。在过去的二十年里，这项技术传播到了世界各地。
iGlobenews: 是什么让您对阿秒物理学产生了兴趣？
克劳斯教授：20 世纪 80 年代，我在布达佩斯科技大学完成毕业论文时，对激光物理学，尤其是超短脉冲产生了浓厚的兴趣。激光与电子的非线性相互作用使我们能够生成并测量极其短暂的光闪，这一事实令我着迷。当时的 “极短 ”指的是持续时间为几皮秒（纳秒的千分之一）的脉冲，这是当时电子电路能够切换电流开关状态的特征时间尺度。
iGlobenews: 您在维也纳技术大学（TU）获得的任教资格和教授职位对阿秒物理学的起步和您的成功研究有何贡献？
克劳斯教授: 我们在维也纳与匈牙利和意大利的同事合作进行的研究，在 20 世纪 90 年代中期生成了持续时间与底层电磁场振荡周期相当的强激光脉冲。这些脉冲的持续时间只有几飞秒（=皮秒的千分之一），其独特之处在于它们可以包含一个单一最强波峰。在这个波峰的顶点，持续几百个阿秒的时间内，光的作用力足够强大，可以将电子从原子中剥离出来。半个振荡周期后，作用力改变方向，将电子打回母原子中。2022 年沃尔夫物理学奖共同获得者保罗·科尔库姆（Paul Corkum）的研究表明，由此产生的再碰撞会产生一个亚飞秒级的极紫外光闪。
我们与保罗·科尔库姆和他的团队合作，花了近五年的时间, 通过测量这种光脉冲的持续时间，来验证这一预测。测量结果表明，脉冲持续时间为 0.65 飞秒 = 650 阿秒，并为约 100 阿秒分辨率的时间测量提供了证据，标志着阿秒计量学或更广泛意义上的实验阿秒物理学的诞生。在我的科学生涯中，这些成就及随后的发展是最激动人心的，或许（取得这些成就的时期）也是最为成功的时期。这一切都发生在维也纳技术大学的光子学研究所，主要归功于该研究所的创始人也是我的导师阿诺德·施密特（Arnold Schmidt），他为我提供了指导，并引导我关注宽带固体激光器。这使得超短光脉冲的生成接近了终极极限，即光的波周期。
iGlobenews: 您现在还与维也纳技术大学的科学家合作吗？您为什么离开维也纳技术大学？
克劳斯教授: 我的研究小组与 Joachim Burgdörfer 及其理论小组有着长期且成功的合作关系。在过去的十五年里，我们与他们共同发表了一系列论文。此外，我们小组的一位资深博士后研究员 Andrius Baltuska 成为了我在光子学研究所的继任者。几年后，我小组的另一位资深成员Martin Schultze成为了格拉茨技术大学的教授。因此，我在马克斯·普朗克量子光学研究所和路德维希-马克西米利安大学提供的独特研究机会和环境的激励下前往德国的举动，已经促使了两位世界级人才前往奥地利。如果其他大学选择在激光科学这一前景广阔、发展迅速的领域设立教席，可能会有更多的人来到奥地利。
iGlobenews: 是否有某个具体的阿秒物理学研究项目使您在2022年获得了著名的沃尔夫物理奖？
“现在，我们可以实时捕捉到原子核外的最快运动。”克劳斯教授: 我认为，我们研究小组最重要的成果包括利用接近单周期的激光光波生成和测量首个亚飞秒光闪，以及随后将这些工具和阿秒测量技术应用于原子尺度电子动态的实时观察。这些过程包括内壳空位衰变、电子隧穿出原子、分子中化学键的形成以及固体中亚纳米级的电子传输等基本过程。现在，我们可以实时捕捉到原子核外的最快运动。
iGlobenews: 是否可以说，阿秒物理学就像一台相机一样，用于实时观察原子和分子层面的物理和化学过程？您能详细讲讲这一点吗？
“高速相机确实是与阿秒物理学核心概念最接近的“现实世界”类比。“克劳斯教授: 高速相机确实是与阿秒物理学核心概念最接近的“现实世界”类比。快速的快门速度确保相机的传感器仅在极短的时间间隔内暴露于外界，从而能够拍摄到快速移动物体的清晰照片。然而，即使是能够‘定格子弹运动’的世界上最快的相机，其微秒级的曝光时间对于捕捉原子、分子或纳米尺度电路中的电子运动来说也慢了十亿倍。阿秒光闪的持续时间和激光场的快速振荡取代了相机的曝光时间，实现了微观世界中的“定格动作”。阿秒物理学现在提供了足够快的快门速度来捕捉原子核外的任何微观运动。
iGlobenews: 您能为非专业人士解释一下阿秒物理学如何被应用于 “Lasers4Life” 和 “Center for Molecular Fingerprinting” 这两个研究合作项目，并详细介绍一下这些项目吗？
克劳斯教授: 阿秒物理学的一个关键概念是精确测量光的振荡。通过对突然被激发的分子所发出的红外光波的振荡电场进行阿秒级精度的测量，我们可以感知复杂分子集合体（如人类血液）组成的微小变化。这些变化可能是有机体健康状态变化的早期表征。如果测量精度足够高，它们会反映在激光激发的血浆或血清样本发出的电场波形中。我们将这一新方法称为电场分子指纹识别（EMF），更多信息请见： www.attoworld.de/bird. 。我们位于慕尼黑的项目 Lasers4Life (www.lasers4life.de) 利用 EMF 来检测癌症和心血管疾病等严重慢性疾病，而我们在布达佩斯的项目，分子指纹中心 (www.cmf.science) ，则致力于在一个独特的全国性纵向研究——匈牙利为健康 www.h4h.hu ——中探索这一新技术在健康监测中的潜力。
iGlobenews: 阿秒物理学还有哪些潜在的进一步应用？
克劳斯教授: 除了在塑造定制化预防性医疗的未来方面具有潜力之外，阿秒物理学还将在推动电子信息处理达到其极限速度——光的频率方面发挥重要作用。这意味着当前电子信号处理的速度——每秒切换电流开关状态数十亿次——可能被提高一万到十万倍。
iGlobenews: 作为慕尼黑马克斯·普朗克量子光学研究所阿秒物理研究部的主任，您与欧洲及其他国家的研究机构主要有哪些合作活动？
克劳斯教授: 我们的Attoworld集团 (www.attoworld.de) 隶属于马克思·普朗克量子光学研究所（MPQ）、路德维希-马克西米利安慕尼黑大学（LMU）以及最近成立的分子指纹中心（CMF）。我们拥有一个遍布三大洲的科学合作网络。合作伙伴包括美国的斯坦福大学、英国的牛津大学、沙特阿拉伯利雅得的沙特国王大学、以及奥地利的维也纳技术大学和格拉茨技术大学。
iGlobenews: 有很多学生对阿秒物理学这一前沿领域感兴趣吗？在阿秒物理学领域有很多女性研究人员吗？
克劳斯教授: 第一个问题的答案是肯定的，我们只能接收对加入我们研究工作感兴趣的人中的一小部分。随着阿秒物理学在现实世界中首次应用——电场分子指纹识别（EMF）——的前景逐渐展开，这种兴趣显著增加。第二个问题的答案则不那么乐观。就像物理学的其他所有领域一样，我们小组中的女性研究人员比例也远远偏低（15-20%）。值得一提的是，我们的年轻女性科学家表现非常出色。我们的微流控专家Pushparani Micheal Raj 最近被德国物理学会（DPG）评选为“本周物理学家”，而Nathalie Nagl 则是第一个在不到三年内获得博士学位的人，刚刚荣获了马普学会的著名奥托·哈恩奖。最重要的是，Mihaela Zigman 负责我们整个生物医学研究项目，这是阿秒物理学首次进入现实应用的拓展。
iGlobenews:阿秒物理学是否已经成为大学和研究机构以外的大型企业也关注的研究领域呢？
克劳斯教授: 完全正确。光与电子在阿秒尺度上的相互作用是激光科学中最大规模研究设施——X射线自由电子激光的基础。目前，全球已有半打这类设施正在运行，还有更多处于建造和规划阶段。它们要么已经具备了发射阿秒级持续时间的X射线脉冲的能力，要么有潜力实现这一点。这些设施在许多应用中展现出广阔的前景，其中一些应用具有深远的重要性，例如在无需结晶的条件下确定蛋白质的结构。
iGlobenews: 奥地利应该采取什么措施来留住世界级的科学家？您并不是第一位离开奥地利的顶尖科学家。
克劳斯教授: 没有哪个国家能留住所有顶尖科学家。更实际且更具成效的做法是吸引更多顶尖研究人员来本国，而不是（阻止）那些要离开的。如前所述，在年轻的阿秒物理学领域，目前（离开的和到来的科学家）的比例已经令人鼓舞：2:1。作为埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）、西格蒙德·弗洛伊德（Sigmund Freud）以及其他几位现代科学巨人的故乡，奥地利以其开创性的发现和卓越的大学教育而著称。这为进一步发展奠定了良好的基础。在选定的领域和机构创造类似于马克斯·普朗克学会所提供的条件（对研究机构提供高水平资助、规划保障和研究自由）将增强奥地利吸引顶尖人才的能力。多个例子表明，这一目标是可以实现的：例如，位于因斯布鲁克和维也纳的量子光学与量子信息研究所，以及位于维也纳的分子病理学研究所，都在其研究领域的前沿保持全球领先地位。
