怎么拍出“最小的电影”？

　　2023年10月，中国科协发布了2023重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题。其中工程技术难题的第一项是“

　　给原子和电子拍照摄像？看起来似乎跟现实生活没关系？不，相关研究的发展对于深入理解原子和电子行为、材料性能的提高以及新材料的发现和设计具有重要的意义。

　　2013年4月30日，IBM科学家们制作了一部物理意义上的世界最小电影《A Boy and His Atom（一个男孩和他的原子）》——并被《吉尼斯世界纪录大全》认证为“史上最小的定格动画影片”。之所以说这部电影为物理意义上的世界最小电影，并不是因为它的时长仅为1分33秒，而是因为电影中的所有“演员”都是原子，而电影的拍摄工具则是扫描隧道显微镜。

　　虽然短小，但这部电影的制作难度极高。首先原子的尺寸非常小，在埃量级（10-10m），假如把一个原子一个乒乓球同步放大，当原子放大到乒乓球的大小时，那么乒乓球将会变得比地球都大。要看到并移动如此之小的原子，必须采用分辨率高达埃量级的扫描隧道显微镜。另外，所有物质内部的原子其实在不停运动，温度越高，运动越快。所以，要移动原子还必须使其保持在极低的温度（接近绝对零度），才能让原子不随机“走动”。

　　在这部原子电影的整个制作过程中，科学家们动用了两台扫描隧道显微镜，在-268 ℃的低温下，将样品放大1亿倍，看到了样品表面的原子，然后再远程操控仅有1 nm的针头来移动原子，并摆放成需要的画面，最后形成一帧一帧的定格动画。制作中一共移动了5000个原子，最终出现在影片里的有65个原子“演员”和242帧画面。虽然这部“电影”实现了对原子的操作，但这只是在极低温环境下保持原子不动的情况，并未记录原子本身的运动。

　　如果想要观察到原子在正常情况下的运动状态，对设备的要求更高。这是由于原子本身在以很快的速度不停振动（典型值500~1000 m/s），而且原子运动范围在0.1 nm左右，所以原子振动的时间尺度在百飞秒量级（1 fs=10-15 s）。因此，要实现对原子的“拍照”、“录像”，不仅需要埃量级的空间分辨率还需要飞秒量级的时间分辨率。而对于原子内部的电子，其绕原子核旋转的速度在105 m/s的量级，比原子还要快成百上千倍，运行时间尺度达到了人类目前可触及的时间极限——阿秒（1 as=10-18 s）。在1 as的时间内，即便是快如光速（3x108 m/s），也只能穿过0.3 nm的距离，大约是头发丝直径的二十万分之一，这使得在空间和时间两个维度都远远超出人眼甚至现有科学仪器可观测的极限。

　　即使挑战如此巨大，科学家们依然在不停努力，试图建造出更加精密的设备来观察原子和电子的运动。之所以这么做，是因为所有宏观物质都是由微观粒子构成，当我们用显微镜把人体的一个部位不断放大后将会看到下图展示的图像：

　　首先我们看到皮肤由细胞组成，细胞内部有细胞核，进一步放大细胞核可以看到含有遗传物质的DNA大分子。分子又由多个原子组成，原子可谓是构成所有物质的基础，原子内部又包含原子核与电子，电子的数量和排布决定了原子的性质，进一步影响宏观物质的性质。可见电子、原子是决定宏观物质的属性与动力学规律的根源。为了理解生命的本质，人们不断追求更高的分辨率来观察物质更细小的结构，朝着越来越小的微观世界探索。

　　空间与时间是人类认识世界的两个最重要维度，想要完全了解事物发生的过程，必须同时在这两个维度观察其变化过程，缺一不可。目前的高分辨透射电子显微镜或扫描隧道显微镜可以提供原子尺度的超高空间分辨率，但电子显微镜需要通过长时间累积连续的电子信号获得样品信息，扫描隧道显微镜需要通过移动纳米针尖并采集电流信号获得样品信息，都不具备时间分辨率——换句话说，无法实时观察到微观粒子的超快运动过程。

　　如何同时突破人类可分辨的时间与空间极限，实现对原子、电子的“拍照”、“录像”就成为了人们长期探索的重要科学难题。

　　其实我们日常生活中也会涉及到很多快速现象的捕捉，比如小鸟飞行时高速振动的翅膀、疾驰的骏马、子弹击穿物体的瞬间等，这些人眼都无法清晰地分辨，需要用到高速摄影技术。如果想用相机拍摄快速运动物体的清晰图像，那么相机快门必须比运动物体的速度更快，否则拍摄的图像就是“模糊”的。也就是说，任何测量都必须比被测量对象变化的速度更快才可以。

　　子弹击穿玻璃的瞬间（引自Veer图库），灯泡爆裂的瞬间（引自Veer图库），人眼观察的与高速相机拍摄的疾驰的骏马（引自维基百科The Horse in Motion），小鸟飞行时高速振动的翅膀（引自Veer图库）

　　人们对于超快现象的拍摄最早可以追溯至19世纪70年代，故事始于赛马比赛，当时的赛马爱好者争辩“马在奔跑中是否可以四蹄同时离地”，为了解决这一争论，一位有名的摄影实验家埃德沃德·迈布里奇（Eadweard Muybridge）利用12台双镜头相机对骑手骑马疾驰的瞬间进行了拍摄，他在赛马跑道边上放置12台相机，并将12根横穿赛道的触发线绷紧依次连接到相机快门上，当马碰及触发线时，相机快门被连续触发，从而连续捕捉到12张马奔跑途中的照片，从定格的画面中可以清晰看到马四蹄同时离地的瞬间。迈布里奇也因此被誉为“动态摄像之父”，他的伟大发明为高速摄影与电影的发展奠定了重要的基础。

　　目前，超高速摄影的时间分辨能力已经可以达到百飞秒量级，比如基于条纹相机的压缩感知超快成像技术可以拍摄到光的传播、折射和反射过程。高速摄影在高速生物学现象观测、细胞高速成像、高速移动物体的轨迹跟踪、快速流体观测、汽车碰撞试验等各个领域都发挥着举足轻重的作用。但随着不断深入物质的微观体系，其特征时间和空间尺度越来越小，普通的高速摄影技术还是无法满足对物质特征和物质本质的微观瞬态运动过程的探测需求，直到基于激光脉冲的泵浦探测技术的发展为超快探测技术提供了崭新的思路。

　　1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）成功研制了世界上第一台红宝石激光器，发出第一束可实际应用的激光，脉冲持续时间在微秒量级。此后，人们逐渐开始发现激光在科研、工业以及日常生活等各领域中都有重要应用。随着激光技术的快速发展，激光脉冲的持续时间也越来越短，不断突破纳秒、皮秒、飞秒、阿秒等时间尺度。

　　而超短激光脉冲结合“泵浦-探测技术”可以用于微观超快运动过程的观测，其原理是用一束激光脉冲激发被测样品到激发态，这束光被称为泵浦光，再用第二束激光脉冲，被称为探测光，穿过被泵浦光辐照的样品区域，探测样品被激发后的动态过程，通过改变两束光脉冲之间的时间差，就可以探测到一系列不同时刻下样品的微观超快现象演化过程。这一过程就好像我们日常在黑夜中拍摄时的闪光灯一样，闪光灯照亮物体不同时间段的状态，从而让相机记录下来。

　　在20世纪80年代，美国加州理工大学的哈迈德·泽维尔教授（Ahmed H. Zewail）正是结合持续时间为飞秒尺度的激光脉冲与泵浦-探测技术开发了飞秒光谱技术，并用之开展了一系列超快实验以观察化学反应中的动力学过程，成功观测到化学反应的过渡态。泽维尔教授是飞秒化学研究领域的开创者，也因此获得了1999年诺贝尔化学奖，被誉为“飞秒化学之父”。泵浦-探测技术具有易在实验室搭建、成本相对较低的优点，且时间分辨率取决于所采用的激光脉冲宽度和系统最低延迟分辨，可实现较高的时间分辨率，是目前广泛应用的超快探测技术。

　　飞秒光谱技术借助于飞秒激光为人们打开了探测原子世界的大门，而原子内部的电子运动达到了更快的阿秒量级，因而电子的运动必须利用更快的阿秒脉冲才能观测到。

　　2001年，科学家们首次实现了阿秒光脉冲的产生，这犹如为相机提供了一个“超级快门”，第一次将人类探索世界的时间尺度推进到阿秒量级，为人们打开了电子世界的大门。2023年诺贝尔物理学奖授予了Pierre Agostini，Ferenc Krausz和Anne L’Huillier三位阿秒领域的科学家，正是因为他们在阿秒光脉冲实验产生方面做出了突出的贡献，促进了物质中电子动力学的研究。

　　Anne L’Huillier首先在1987年与同事在实验中首次观测到强激光照射氩气时产生高次谐波现象，获得了典型的高次谐波频谱结构，即一系列梳齿状的尖峰，为阿秒科学奠定了基础。基于随后科学家在高次谐波理论方面的研究，2001年两个实验研究组分别实现了阿秒光脉冲的产生。Pierre Agostini的研究组实现了脉冲宽度仅为250 as、相邻脉冲间距为1.35 fs的一系列阿秒脉冲串的产生与测量，而Ferenc Krausz则首次产生并测量了650 as孤立的阿秒光脉冲，并用于研究原子内电子的运动。至此，阿秒时代正式到来。此后，多个研究组相继开展阿秒光脉冲的研究，不断刷新阿秒光脉冲的最短脉宽记录。

　　高次谐波的频率结构，分为微扰区（黄色部分）、平台区（红色部分）与截止区（蓝色部分）

　　我国在阿秒激光的研究起步相对晚一些，但近些年也取得了显著进展。2013年中国科学院物理所实现了160 as光脉冲，2019年中国科学院西安光机所突破了159 as的孤立阿秒脉冲，并在2021年产生了更短的75 as光脉冲，刷新了国内记录，直到今年，国防科技大学再次突破了51 as，是目前国内最短的阿秒脉冲记录。此外，上海光机所、精密测量科学与技术创新研究院以及北京大学、华东师范大学、吉林大学、南京理工大学、中国科学院近代物理研究所、西北师范大学等单位都在阿秒激光理论和应用方面有重要成果报道。

　　阿秒脉冲的脉宽变化（引自王虎山，曹华保，皮良文，等. 阿秒脉冲产生和测量技术研究进展（特邀）. 光子学报，2021，50（1）：0132001）

　　阿秒脉冲的诞生犹如为定格微观世界的“相机”提供了一盏极快的“闪光灯”。在过去二十年中，阿秒技术开启了对原子、简单分子和固体材料中超快电子过程的研究。2009年，西班牙马德里自治大学的教授Fernando Martín和意大利米兰理工大学的Mauro Nisoli合作设计了第一台能够看到分子中电子如何运动的“阿秒相机”。他们利用阿秒光脉冲照射最简单的氢分子并诱导分子内的电子运动，再利用另一束具有同样性质的阿秒脉冲成功“拍摄”了不同时刻的电子运动状态。

　　四年后，Martín和Nisoli再次合作，获得了生物分子样品—苯丙氨酸，一种人体必需的氨基酸—中的电子运动。他们利用阿秒脉冲来促进氨基酸苯丙氨酸的电离，并结合理论计算实现了对复杂分子内部电荷迁移过程的测量，在多原子分子中触发和观察这种电子动力学的能力代表了阿秒科学向前迈出的关键一步。

　　阿秒科学为人类彻底打开了微观世界的大门，有望实现对微观粒子相互作用与运动规律的精密测量，进而从物质的最根本起源理解和调控其宏观特性，这将支撑许多基础前沿科学的跨越式发展。

　　例如，在生物医学领域，癌症作为世纪难题，目前普遍认为其诱因是紫外辐射导致的DNA损伤，但受限于现有的技术手段，该推论无法得到确认。DNA分子由原子构成，而原子又包含电子和原子核，那么，借助阿秒脉冲，科学家就有可能在更微观、更基础层面看清DNA损伤内在的电子运动过程，理清紫外辐射导致的DNA损伤与肿瘤癌变的生理关联，无疑这将使癌变的预防、诊断及治疗更加有的放矢。

　　另外在能源科学领域，开发创新、廉价、可持续的能量转换方法是当今世界极为重要的研究方向之一，对光能转换和热电转换过程中涉及的电传输、热传输和能量转换过程的深入理解将是开发新型可控材料的先决条件，而这些过程中涉及到的超快电荷转移、界面电荷分离过程等是进一步提升能量转换效率的关键，需借助于阿秒科学与技术，观测在这些材料的最终功能中起核心作用的电子、原子的微观超快运动过程。

　　由于阿秒科学的前沿性和不可限量的应用前景，世界各国都在积极规划阿秒激光设施、阿秒科学中心及阿秒电子成像平台的建设，我国也在强化阿秒科学的研究，联合多方力量积极推动先进阿秒激光设施的建设。2023年1月11日，“阿秒科学与技术研究中心”在中国科学院西安光机所成立并正式揭牌，随后，在2023年4月25日，“阿秒科学中心”在广东东莞松山湖正式揭牌，由中国科学院物理所和松山湖材料实验室共建，他们的目标都是建设当前最先进的、波段和性能以及应用终端全面覆盖的阿秒激光设施，提供具有阿秒时间分辨能力和高时空相干性的超快物质科学与技术研究设施，提升我国在超快科学领域的综合竞争力。

　　阿秒激光的产生第一次将人类探索世界的时间尺度推进到阿秒量级，但是受到光脉冲的波长和衍射极限的限制，基于阿秒光脉冲的测量技术空间分辨能力都无法突破纳米量级，仍然不能完全实现对电子的直接时空观测，即实时、实空间成像。衍射极限描述了光学成像系统可以分辨的最小特征尺寸，其由光的物理性质决定的，不是我们在制造显微镜时的制造限制。换句话说，衍射极限不能用更好的玻璃研磨技术或更大的孔径物镜来克服，这是物理学造成的障碍。简单来讲，按照几何光学的理论，一束理想的光波经过理想透镜后应该聚焦到一个无限小的点，而实际上由于衍射效应的存在，这个焦点不是无限小的，而是有一定直径的，这个直径跟波长、焦距和光束直径有关，这就是衍射极限的结果。

　　这时科学家们将目光看向具有极高空间分辨能力的电子束，只要将电子脉冲压缩到阿秒量级，就可以实现同时具有阿秒时间分辨率与亚埃空间分辨率的超高时空分辨成像能力，进而实现“电子电影”的拍摄，然而，实际上这却异常困难。

　　早在2000年O. Bostanjoglo就将激光引入透射电子显微镜获得了具有纳秒-微米级时空分辨的电子显微镜，随后“飞秒化学之父”哈迈德·泽维尔教授（Ahmed H. Zewail）又将超快透射与扫描电子显微技术进行了大力的发展。但是，由于电子之间固有的库伦排斥作用、光发射电子能量弥散以及系统稳定性不够等问题导致超快电子显微镜的时间和空间分辨率严重恶化。虽然国际上多个课题组一直在进行探索与努力，但直到目前仍无法真正实现直接的“阿秒级时间尺度”与“原子-亚原子级空间尺度”的阿秒电子显微技术。

　　2023年10月22日，第二十五届中国科协在年会主论坛上发布的2023重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题将“如何实现在原子、电子本征尺度上的微观动力学实时、实空间成像？”问题选为九大工程技术难题之一，该问题由中国科学院西安光机所阿秒中心提出、中国光学工程学会推荐，这也是目前世界共性的一大科学难题。

　　不过，阿秒电子显微技术依然是当前最具前景的兼具超高时间与空间分辨能力的探测技术，阿秒光脉冲与阿秒电子脉冲的结合将使人们能够真正实现在原子、电子本征时空尺度上微观粒子超快运动过程的直接可视化，获得“电子电影”。

　　不论是探索无边的宇宙还是极小的微观世界都充满了困难，但在人类的不断努力中，我们可以认知和掌握的范围将会不断扩展，相信在空间与时间两个维度的分辨能力将会继续被不断突破，最终实现在微观粒子本征的时间与空间尺度上“拍照”、“录像”，未来关于微观世界的奥妙也将会被逐一发现！