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像在幫電子拍電影！諾貝爾物理獎落阿秒光脈衝研究 專家：預期讓半導體元件更進步

發稿時間：2023年10月3日

發稿單位：台灣科技媒體中心

今（2023）年的諾貝爾物理獎，由安妮．呂利耶（Anne L’Huillier）、皮耶．阿戈斯提尼（Pierre Agostini）和費倫茨．克勞斯（Ferenc Krausz）獲得殊榮，以表彰他們在阿秒光脈衝的貢獻。台灣科技媒體中心邀請到四位專家解析此領域研究，專家認為，阿秒光脈衝有助於材料科學的發展，預期會讓半導體元件性能更進步。

清華大學電機工程學系副教授陳明彰說明，這次得獎的研究領域「阿秒」是10的負18次方秒。有許多元件需要在奈米世界中快速運行，例如電腦記憶體、控制器，都需要快速控制電子的移動，所以阿秒雷射的技術不只是能直接觀測到更多需要極短時間操縱的應用。陳明彰指出在2001年時，全世界最短的光脈衝極限在5飛秒左右，大約是百萬億分之一秒，2001年之後科學家才發展出阿秒光脈衝，有更高的時間解析度，能解析電子在奈米世界的運動行為，了解由電子主導的一些物理機制。

陳明彰分享他當學生時，這三位得獎者已經是阿秒光脈衝的研究先驅。尤其呂利耶是第一個觀測到高階非線性光訊號，阿戈斯提尼及克勞斯是實現阿秒光脈衝寬度量測，這三位實驗物理學家，奠定阿秒光脈衝的基礎。

陽明交大生醫光電研究所助理教授賈世璿說明阿秒光脈衝的用途，以相機的快門為例，若要捕捉瞬間移動的現象，需要很快的快門，科學家一直想要研究相機快門的極限，來看到更細微的物理現象。賈世璿說，不同的微觀動態具有不同的時間尺度，例如要看到動態的化學反應，需要能看到10的負12次方秒的現象，但若要看到比化學反應更快的電子運動的行為，則需要更快的光脈衝作為快門。賈世璿比喻，運用阿秒光脈衝的研究可以讓我們產生更快的快門，藉由比較兩個快門拍的東西，知道電子在物質中的動態行為。

賈世璿表示阿秒光脈衝產生的研究領域和強場物理及超快光學有關。運用不同的條件可讓快門的速度更提升，除了觀測上的應用，也用於更快速操縱電子的行為，我們可理解成，一秒當中可以同時處理的事情變多了，相關應用例如電腦運算，就可以一秒同時做更多運算、儲存更多位元的資訊，或是可能貢獻在半導體的製程中需要的雷射技術。

賈世璿補充，前幾年有一位加拿大物理學家保羅·科克姆（Paul Corkum）來台灣訪問，雖然不是這次的得獎人，但科克姆的研究提供了阿秒光脈衝產生的方法與相關交互作用的理論基礎。

陽明交大電子物理系教授羅志偉解釋，其實廣義來說這是第四次光脈衝相關領域得獎了，先前的研究有相互關連性，奠定今年得獎的基礎，我們才能觀察和紀錄電子的超快動態變化，像是一部具有超高速攝影能力的超快攝影機，尤其是觀察靠近原子核的那些更快速變化的電子。

羅志偉比喻科學家利用阿秒光脈衝量測物質的動力學過程很像在幫組成物質的基本單元（電子、聲子、自旋）拍電影，可以同時記錄這三個基本單元在不同時間尺度下的動力學。此外，也可以運用阿秒光脈衝讓本來不導電的絕緣體變成導體。羅志偉指出阿秒光脈衝的重要性在於可以在非常短的時間內操控材料，以改變其物質特性，實現高速的光操控元件，例如更高速運作的電晶體、邏輯閘等，進而製作更快速的電腦。羅志偉研究團隊曾經用飛秒雷射在二維的材料上寫入0或1的資訊，並在飛秒時間尺度下把寫入的資訊讀出來，在同樣的架構下，若能使用阿秒雷射，可比現有的研究結果再快上一千倍。

中央研究院物理研究所助研究員溫昱傑指出，阿秒光脈衝獲獎是另一個雷射技術的進步使物理進展快速的案例，而且在阿秒的時間之下，除了電子，其他物質都是凍結的，所以可以很單純的了解電子在基礎物質的行為特性，例如水、金屬、半導體、超導體等等。溫昱傑認為這類研究有助於研發半導體這類涉及電子在材料之間轉移或散射等現象，會影響我們去研究、發展新的材料，幫助量子材料科學的發展，預期會讓半導體元件性能更進步。

溫昱傑補充，除了這場記者會中的清華大學陳明彰、陽明交大羅志偉教授，還有國家同步輻射研究中心助研究員林秉慧、中研院原子與分子科學研究所助研究員江正天等人，不只是這些，台灣學界還有相當多人投入阿秒光脈衝領域。