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西安有望建设 神奇的阿秒光源

发表日期:2018-04-24来源:放大 缩小

  

   “西安是国家实施西部大开发战略的前沿阵地,是‘一带一路’起点,全球首届硬科技大会2017年在西安成功召开,硬科技已成为西安创新发展的亮丽名片。未来,我们有望建成的西安阿秒光源将与欧盟阿秒光源装置遥相呼应,形成全球顶尖的阿秒研究中心,在‘一带一路’中发挥桥梁与辐射作用,共同引领阿秒科学发展。”西安光机所曾健华博士说到,近日,记者从中科院西安光机所获悉,作为国家级的大科学装置和多学科交叉的实验平台,我市有望建成大科学装置——西安阿秒光源。

  阿秒是人类能达到的最小时间分辨尺度 

  激光打孔、用作“手术刀”的飞秒激光近视手术……是我们可以接触到的激光应用。什么叫阿秒?这要从头开始讲起,原来,在日常摄影中,照相机的闪光灯能在1/1000秒内“定格时间”——这个速度快到可以捕捉到棒球击球手迅速挥臂击球的动作,但对更快的变化过程就显得无能为力,比如化学反应过程、光合作用能量传递过程等,如果你的闪光灯太慢,就会漏掉这些转瞬即逝的镜头。因此科学家们正努力钻研,争分夺秒地研制更细微更精确的“时间窗口”,用它来观察物质世界,这方面的研究被称作超快过程研究。 

  曾健华介绍道,人眼的视觉暂留时间一般为0.1-0.4秒,当变化过程短于0.1秒时,受眼睛时间分辨率的限制,我们就无法看清变化过程,比如要看清高速奔跑的骏马四脚是否同时离地就需要毫秒时间分辨能力,这就需要高速摄影技术。影片中的高速摄影是使用高速摄像机把转瞬即逝的快速变化过程记录下来,并以慢动作放映,从而可以显示肉眼看不见的瞬间动作。然而,光电子类高速相机的最大时间分辨能力仅为纳秒(10-9秒), 要想观测超高速现象或超快过程,就需要更快的摄影技术,这有赖于快速探测手段和技术的革命性进步。 

  据介绍,上世纪60年代激光的发明推动了超高速摄影技术的诞生和发展。80年代末, 美国科学家Zewail率先利用当时最先进的飞秒(10-15秒)激光脉冲去研究发生化学反应时化学键的断裂和形成过程,并藉此荣膺1999年诺贝尔化学奖。2001年,奥地利科学家首次实现了阿秒光脉冲的产生,宣告超快科学进入了阿秒时代。 

  也就是说,2001年阿秒脉冲(1阿秒=10-18秒)的实现,使人类历史上得以首次深入原子结构内部观测电子的运动,开创了原子尺度电子运动的新时代,引发了一场根本性、历史性、颠覆性的科技革命——阿秒科学。 

  未来有望揭开癌症早期诊断的世界难题 

  “通俗地说,我们这方面的研究属于科学最前沿,确实是比硬科技还‘硬’。”曾健华笑着说。原来,阿秒技术为物理、化学、生物和材料科学超快过程的探究和高时空分辨率成像提供崭新的手段,有望引发新的科技革命。 

  曾健华举例说,比如阿秒技术的研究有望提升太阳能电池转化效率,因为阿秒科学已经深入到物质微观层面最本质的电子运动规律,这样的研究可以完全清楚相关材料的特性,从而有望实现最高效的太阳能电池材料。据了解,目前太阳能电池转化效率较低,等到阿秒研究使得其获得高转化效率后,对我们的生活将会产生什么样的影响?曾建华介绍,到时候这样高效的能源有望取代我们目前在使用的很多能源,而街道上,太阳能汽车也有望成为主流。 

  一提到阿秒的未来应用,揭示肿瘤病变机理是最受大众关注的领域之一。曾健华表示,在生物医学领域,阿秒技术是生物活体精准成像和癌症早期诊断应用中的独特研究手段。癌变机制及早期诊疗一直是生物学、生命科学和医学领域的世界性研究难题。这样的研究需要获得生物样品“分子指纹”,揭示生物体中分子的工作机理,而在分子层面实现癌症早期诊断。而进入电子运动研究水平的阿秒技术则为这样的诊断效果注入了新的活力,这是因为阿秒脉冲的宽频谱特性是活体生物样本X射线显微成像的最佳范围,可实现活体生物组织的实时显微成像和疾病诊断。 

  除此之外,阿秒研究也有望在可持续能源生产和储存、新材料、环境科学与大气修复、人类健康等多个方面具有深远的意义。据美国权威机构预测,2017年激光技术的全球市场达到110亿美元,而到2022年将高达153.8亿美元。 

  据介绍,在世界列强紧锣密鼓地布局阿秒光源重大科技基础设施的情况下,我国抓住时机建设西安阿秒光源,对增强我国原始创新能力、实现重点领域跨越和长远发展、实现从科技大国迈向科技强国的目标具有重要意义。 

  将助力“大西安”国家中心城市发展 

  鉴于阿秒科学的前沿性、重要性和不可限量的应用前景,阿秒科学自诞生起便成为前沿研究热点。2010年《自然》 “展望2020”预测了激光领域的未来项重大突破,其中包括 “获得阿秒脉冲跟踪化学反应中的极端超快电子运动”。美国、德国和日本都将阿秒技术列入本国的战略优先技术,目前多国政府与国际组织都在积极谋划建设阿秒重大科技设施,正在建设的有欧洲极端光设施——阿秒光源和韩国浦项阿秒光源,美国、加拿大、日本等国也正在积极筹建大型阿秒光源。 

  我国在该方面的研究中,西安光机所是主要的开拓者和研究机构之一,带动了我国超快激光技术的长足发展和应用,为国家培养了大批优秀的专业人才,在国内外享有盛誉,创造了一系列世界纪录:最近的纪录是常增虎教授于2012年和2017年两次创造了6753阿秒最短脉宽世界纪录。 

  据介绍,目前,西安阿秒光源建设已进入规划论证阶段,未来,借鉴欧洲极端阿秒装置经验建设,建成后,西安阿秒光源将加速中国西部高端科研人才集聚,有力带动西部地区的基础科研发展,同时将引领材料科学和信息技术发展,加速产业升级和科技成果转化,助力中国科学院西安综合科学园建设和大西安国家中心城市发展。 

 “一旦建成阿秒光源,未来前景无限。”曾健华表示,阿秒科学正值发展的春天,基础研究发展势头迅猛,应用领域的研究和牵引作用不可限量。因此,加强阿秒相关基础科学问题的研究,可以显著提升我国在物理、化学、生物医学、材料科学、能源科学、信息科学等相关交叉学科及应用领域的发展。 

    

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