量子世界的高速攝影機：超快雷射

提到飛秒雷射，許多人會聯想到眼科手術，因為其精確性與安全性，讓無數人重獲清晰視力，然而，飛秒雷射只是「超快雷射」的一部分，背後還有更多的科學應用。超快雷射涵蓋從奈秒（10^-9秒）到阿秒（10^-18秒）的時間尺度，讓科學家能夠捕捉電子在原子間的運動，就像高速攝影機捕捉運動賽場上的瞬間動態，這項技術使科學家能夠「看見」電子在量子世界中的運動，以至於能揭開更多的物理機制。超快雷射正「超快地」改變我們對世界的認識，一起來認識什麼是超快雷射吧！

撰文｜黃鼎鈞

提到飛秒雷射，你第一個會想到什麼？許多人可能會聯想到眼科手術，這種醫療技術為無數人帶來了清晰的視力，然而，你是否曾好奇其背後的原理？飛秒 (femtosecond) 是一種時間單位，等於10^-15秒，即一秒的千萬億分之一。由於飛秒雷射脈衝時間極短，手術過程中，細胞組織不會吸收過多熱量，從而避免了熱損傷。不僅如此，飛秒雷射還能精確聚焦於手術部位，避免傷及周圍組織，正是這樣的安全性和精確性，使得飛秒雷射手術在眼科治療中得到了廣泛應用。然而，今天我們的話題並非眼科手術，而是探討「超快雷射」在材料科學上的應用。

科學家利用超快雷射「看見」量子世界

除了飛秒雷射，超快雷射還包括皮秒 (picosecond) 雷射，其時間單位為10^-12秒，即一秒的萬億分之一，更短暫的還有阿秒 (attosecond) 雷射，等於10^-18秒，是飛秒的千分之一。在這些極短的時間尺度中，科學家能以極高的精度觀察微觀世界中物質的行為。就像高速攝影機能捕捉子彈穿過蘋果的瞬間一樣，超快雷射能讓我們「看見」電子在原子和分子中的運動，因為電子的運動正是發生在飛秒到阿秒的尺度之間。

在使用超快雷射觀測電子運動時，系統會首先發射一個超短雷射脈衝，激發樣品中的電子，將其從基態提升到激發態，隨後，第二個脈衝雷射在一個極短的「延遲時間」後到達，用於拍攝電子的狀態，通過調整不同的延遲時間，科學家可以捕捉到一系列電子運動的連續快照，進而獲取電子隨時間演化的資訊，包括電子的能量與動量。這項技術被稱為時間解析光電子能譜 (Time-Resolved Photoelectron Spectroscopy, TRPES)，它使我們能更深入地理解物理現象背後的電子傳輸機制。

超快雷射揭曉超導體材料背後的物理機制

科學家一直致力於解開超導體形成的奧祕，2007年，德國柏林自由大學的研究團隊利用TRPES技術，探討了超導體Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊δ (Bi-2212) 中的電子動力學。他們發現，當電子被光激發形成熱電子後，僅在不到50飛秒內便達到了平衡狀態。那麼，什麼是熱電子 (Hot electron) 呢？熱電子是指電子在受到外界能量（如光、電場或雷射）激發後，獲得了額外的能量，使其能量高於系統中其他電子的平均能量，從而脫離原本的熱平衡狀態，形成高能量的非平衡狀態，因此，這裡的「熱電子」並不是實際溫度的上升，而是描述電子處於高能量狀態。回到超導體的研究，該研究發現，平衡後的熱電子會在兩個不同的時間尺度上消散其熱量，分別是在110飛秒和2皮秒時，這些過程是由非平衡的聲子 (Phonon) 引起的。聲子是量子物理中的一個概念，用來描述晶體內原子振動所攜帶的能量，當晶體中原本排列整齊的原子受到擾動時，會推動附近原子的震動，形成類似波動的現象。這項研究指出，超導體的形成與晶格的擾動密切相關，為尋找「室溫超導體」提供了重要的指引，至於為何尋找室溫超導體如此重要，你可以參閱《當LK-99再次出現，你可以怎麼判讀？來認識超導體伴隨的獨特物性》。

就像高速攝影機對於運動賽事能捕捉瞬間的動態張力，超快雷射則是量子世界的高速攝影機，能捕捉電子運動的瞬間變化，使我們得以觀察到宏觀物理現象背後的微觀機制，並找到各種現象的成因，從而將這些獨特的物理現象應用於現有科技中。從醫療應用到量子探索，超快雷射不僅使近視眼得以恢復視力，還引領我們進入量子世界，超快雷射正「飛速地」革新我們的生活，並改變著我們看待世界的方式。

參考文獻

1. Keller, U. (2003). Recent developments in compact ultrafast lasers. nature, 424(6950), 831-838.
2. Perfetti, L., Loukakos, P. A., Lisowski, M., Bovensiepen, U., Eisaki, H., & Wolf, M. (2007). Ultrafast Electron Relaxation in Superconducting Bi_２Sr_２CaCu_２O_{8+ δ}by Time-Resolved Photoelectron Spectroscopy. Physical review letters, 99(19), 197001.

✨延伸閱讀：《當LK-99再次出現，你可以怎麼判讀？來認識超導體伴隨的獨特物性》、《隨機雷射：在無序之中自我增強的光子》、《用雷射光在奈米材料上畫圖》