阿秒是电子在原子内部运动的时间尺度：电子绕氢原子核一周大约是150阿秒(1阿秒为10－18秒)；而阿秒物理学(attosecond physics)是研究这样一个超短时间尺度内所产生的一切现象，其中包括原子内部电子、原子核的运动。开展阿秒物理学研究将拓展在飞秒(1飞秒为10－15秒)时间尺度内对分子的核运动的研究范围，使直接观测约100阿秒时间尺度内电子的运动成为可能，这对于人们认识更短时间内微观世界的物质运动将有非常重要的意义。
新型超强超短脉冲激光的出现与发展，为人类提供了前所未有的全新实验手段与极端的物理条件。就时间尺度而言，人类已由飞秒时代稳步迈进亚飞秒甚至阿秒时代，这对自然科学和人类社会的进步产生了重要影响。
脉宽脉冲的产生是在极短时间尺度内探索物质动力学行为的关键。过去的十多年中，超快光学技术的发展已经将激光脉冲的宽度缩短到接近一个光学周期的自然极限，即其脉宽在可见光频率范围内稍稍长于1飞秒(飞秒级脉冲可以实现对分子和相关化学变化过程中原子运动的时域分辨测量)。但是，原子中的电子动力学行为是在阿秒的时间尺度演化，因此需要亚飞秒的脉冲来捕捉它们的运动。阿秒物理学即是研究亚飞秒、阿秒脉冲的产生及应用的一门新兴科学。
阿秒脉冲的产生
阿秒脉冲的出现是新型超强超短脉冲激光的迅速发展的结果。严格说来，纯粹的光学脉冲不能被压缩至1飞秒以内(时域和频域的转换限制需要比可见光谱更宽的带宽来产生亚飞秒脉冲)。然而，光学飞秒脉冲可以用来产生高次谐波脉冲，该脉冲可持续阿秒时间，并跨越更大的频率范围，达到真空紫外波段和软X射线波段，为探索新的物理过程开辟了道路。
阿秒脉冲产生过程依赖于高强度飞秒脉冲中电场的快速振荡。当光与原子相遇时，高强度电场能使价电子克服原子核的束缚，从原子中逃逸出来。然而，外加电场又迅速反向，将逃逸的电子重新拉回原子核；而被重新捕获的电子将其额外能量以脉冲辐射的形式在几百阿秒的时间内释放出来。如果驱动的激光是长脉冲，这时产生的阿秒脉冲是一个脉冲链，脉冲之间的间隔为半个激光周期。
这样的脉冲链还难以观测到原子、分子内部电子的动力学过程。要清晰地观测到物质内部电子的运动，还需要单个的阿秒脉冲――单个的亚飞秒脉冲产生于由只包括几个光学振荡的、脉宽为几个飞秒的周期量级超短激光脉冲驱动和控制的电子与母离子的二次碰撞过程。这无疑应归功于激光脉冲压缩和功率放大技术的发展。
而周期量级飞秒脉冲及其与物质相互作用过程中产生的软X射线脉冲，打开了在阿秒时间尺度探索原子和分子中发射电子运动的大门，目前开展了探测由X射线协同周期量级超短激光脉冲的振荡电场电离产生的光电子的研究。通过观测这种被理解为光场驱动条纹相机模式下的光电子发射，可以得到阿秒脉冲的宽度。在同样的实验系统中，跟踪直接出射光电子以外的散射电子的运动轨迹，提供了在时域研究内壳层原子或分子动力学的途径。
阿秒脉冲的应用
目前，阿秒脉冲最直接的应用是原子内部电子过程的观测。众所周知，物质是由分子和原子组成的，但它们不是静止的，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。而飞秒激光的出现，使人类第一次在原子和电子层面上观察到这一运动过程。上世纪80年代末，加州理工学院的Zewail教授采用飞秒激光技术，拍摄到了100万亿分之一秒瞬间处于化学反应中的原子的化学键断裂和形成以及单个原子的运动过程，使得人们可以通过“慢动作”来观察处于化学反应过程中的原子与分子的转变状态，从根本上改变了我们对化学反应过程的认识。Zewail教授为此开辟了飞秒化学的研究领域，并于1999年获得诺贝尔化学奖。
飞秒科学虽然对物理和化学的发展产生了巨大的影响，但对于像电子的运动来说，飞秒还是太慢了(电子振动的时间单位是另一层次──阿秒的世界)。红外线与可见光一次振动需要几个飞秒，无法实现阿秒时间尺度的测量；而阿秒脉冲的魅力在于它开辟了一个新的时间疆域――和飞秒脉冲很相似，阿秒脉冲在低于1飞秒的曝光时间内可摄取原子中电子动力学快照的崭新应用，必将在微观世界的研究中起到开疆破土的重要作用。
除了揭示自然科学的奥妙之外，阿秒脉冲会对人们的工作和生活有什么影响？想想飞秒激光是如何改变人们的生活的。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程，并在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是，由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。
包括高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存在内等领域有着很好的发展前景，如高功率飞秒激光可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏；利用飞秒激光可以有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩；了解了这些之后，尽管目前阿秒脉冲的研究还处于起步阶段，但谁还不对阿秒脉冲巨大的潜在应用满怀憧憬？
阿秒科学的现状
阿秒脉冲的魅力在于它开辟了一个新的时间疆域，这和上世纪80年代时的飞秒脉冲很相似：飞秒脉冲记录了当时能捕获的最快的事件，向人们展示了以前从未见过的物理和化学过程，从而开辟了飞秒化学的新领域；而阿秒脉冲将能揭示原子过程中的电子运动，这更激发了研究者们对阿秒脉冲的好奇心。
目前阿秒科学的研究主要集中在以下几个方面：
首先，阿秒脉冲的生成与测量，如何得到更短脉宽的单个阿秒脉冲以及如何提高生成阿秒脉冲的强度，是当前阿秒科学研究的一个核心问题，也是阿秒科学进一步发展的前提和基础；其次，利用阿秒脉冲探测原子分子内部的电子运动，如前所述，欧美的一些科学家们已经利用得到的阿秒脉冲开展了先驱性的工作，国内的多个研究机构，如上海光机所等也已经开展相关的研究，并取得了令人瞩目的成绩。
欧洲的物理学家在阿秒科学的研究中处于领先地位。他们首次高次谐波生成的阿秒脉冲记录下氪原子被X光激发后，原子随后发生的电子重新排列过程。这是科学家第一次成功用阿秒激光来观测电子的跃迁过程。其后，可重复单脉冲技术的发展为阿秒物理学的各种实验的开展奠定了基础。例如，普朗克量子光学研究所的Krausz，利用阿秒脉冲观察氪原子在去除一个内核层电子之后其内部电子的重新排列。
也许迄今为止最新奇的实验莫过于Paulus在维也纳技术大学所做的新版本的经典双缝实验。经典双缝实验中电子通过空间的一对狭缝产生干涉，而在新版的双缝干涉实验中，Paulus使用钛蓝宝石激光器产生的5纳秒脉冲激光，产生时间上的狭缝――脉冲将气室内氩原子的电子电离，Paulus在两侧同时安装了探测器监视被脉冲电离出的电子，并发现在探测器上最终出现了干涉条纹。
在德国，比勒菲尔德大学的Markus Drescher第一次成功用阿秒激光来测量氪原子被X光激发后，电子随时间的跃迁过程。如果在过去，这种实验使用飞秒激光是不可能做出来的。因为原子周围的电子其跃迁过程相当快速，这相对于原子周围的电子跃迁的速度仍嫌太慢，只有阿秒脉冲才能完成这样的泵浦－探测实验。
中国的科学家对阿秒科学的发展起到了一定的推动作用。早在十几年前，中科院上海光学精密机械研究所就开展了超短超强激光物理科学的理论和实验研究，并把阿秒脉冲的产生作为重要研究内容之一，提出了产生阿秒脉冲和提高脉冲强度的多种方案。华东师范大学物理系、中科院大连化学所等多家研究机构也在该领域做出了突出的成绩。
结束语
阿秒科学的研究正在兴起，无论是理论上还是实验上都处在重大突破的前夜。我们中国的科研工作者有望在这一新兴科学领域迎头赶上，尚大有可为。
本文作者张敬涛来自中科院上海光学精密机械研究所。