名家专栏 | 激光物理系列—解读阿秒超快光学奥秘！

孤立阿秒脉冲的产生使得原子核外Z快的运动——原子系统中的电子动力学——得以被捕获。如果我们想观测微观的原子分子，一个好的办法是用激光脉冲去照射微观的粒子，然后观测这些微观粒子的行为。原子系统中电子的运动速度实在太快了，绕原子核一圈通常只需要百阿秒量级的时间。这就要求科学人员在给原子"拍照"的时候需要使用超快的阿秒量级的"闪光灯"，这种"闪光灯"就是阿秒激光。

电场波形受控的少周期激光脉冲和它们产生的孤立阿秒脉冲构成了一种有效的泵浦-探测技术，既可以对光信号进行精确的阿秒计量，又可以实时探测在光信号上留下的各种电子过程信息。阿秒电子条纹相机记录条纹光谱图，可以测量亚飞秒激光波形和XUV阿秒脉冲。XUV阿秒脉冲用作触发，稳定的激光电场作为探针，可以提供对激发原子中多电子弛豫过程的实时观测，例如级联俄歇衰变和原子内电子关联等。

当代数字电子产品的基本构建模块是金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。尽管高速 MOSFET 的截止频率 f_cutoff 大约在 100 GHz~1 THz 范围内，但处理器的Z大速度已限制在 f_processor ≈ 3 GHz 很多年。这种限制是由连接晶体管以形成处理器的互连线的充电时间 τ_charging 造成的；另一个限制源于散热，这也主要发生在当代数字电子产品中晶体管对互连线充电和传输信号时。对于长 (~5 mm) 互连，每个开关周期在此过程中消耗的能量约为 Q_switch ≈ (1/2) C_interconnect (ΔU_gate )2 ≈ 1 fJ。处理器时钟速率由长互连决定，而每个晶体管每个开关的平均能量由典型 (~500 μm) 互连决定，并且要小一个数量级 (Q_switch ≈ 0.1 fJ)。这给出了每个处理器功耗的上限 P_processor ≈ N_t f_processor Q_switch ≈ 300 W，其中 N_t ≈ 109 是处理器中晶体管的数量。这对将当前的数字电子产品扩展到更高的时钟速率和晶体管数量构成了另一个严峻的挑战(Nature Photonics, vol 8, March 2014, 208)。

可逆强场效应在信号处理中的实用性在未来可能得到验证，其带宽在原始实验中约为 0.2 PHz（200GHz）。Z近，能够测量光波形的固态太赫兹带宽示波器已成为现实。