张梅
中国科学院与我省将共建我国西部地区首个综合性科技园区——中国科学院西安科学园。其中，科学园将建设西安阿秒光源等一批重大科学装置引起了很多人的兴趣。上一期，我们介绍了什么是阿秒，这期我们了解阿秒科学的应用。
在基础物理领域，原子和分子物理、量子力学乃至整个物理学中的基本问题之一就是超快电子运动和电子关联机理，其决定了物质的结构和特性，阿秒技术是当前实时观测电子运动（波函数演化）及其关联的唯一手段。原子分子内的超快电子过程，包括电子的激发和弛豫、结构重排、电子关联、原子间电荷转移、电子隧穿、分子内的电子和核结构变化等，其特征时间都处于阿秒量级。阿秒光源可以更高的时间精度研究不同原子轨道或不同能态的电子跃迁、光电离等基本过程，加深对光与物质相互作用机理的理解，有望实现基础物理领域的重大突破。
在化学领域，阿秒技术有望揭示化学反应中间态及电子动力学过程，实现人工操控化学反应的效率和速率。化学反应的本质是电荷和能量转移过程，中间态是影响反应进程和速率的重要因素，寿命在几百阿秒量级，是化学反应精细控制领域亟待解决的重大科学难题。此外，化学反应电子层面的许多特征时间在阿秒量级，比如化学键中的电子迁移过程，化学反应中的电荷转移现象及电子动力学过程（光激发、表面催化、金属与配体电荷转移等）。阿秒光源具有高时间分辨和宽频谱的特点，可直接实时获得局域电子、原子结构信息，进而定位溯源出元素信息，从而实现化学反应过程中间态的追踪和控制。利用阿秒技术在电子尺度上解读和控制化学反应，可望显著提高化学反应的效率和速率，从而在可持续能源生产和储存、新材料、环境科学与大气修复、人类健康等方面具有深远的意义。
在材料科学领域，阿秒技术有望揭示光伏效应的超快动力学过程，并对该过程进行操控，提升光伏材料能量转换效率。光伏效应过程包括光吸收和电子空穴的转移收集过程，其能量转换效率最高仅为20%，决定光伏技术宏观效率的微观过程是光激子产生及分离、电子空穴对的迁移和俘获，目前其过程机理仍悬而未决。利用阿秒光谱学技术和衍射成像技术可望实时跟踪光伏材料中的光激发转换和电子迁移动力学过程，从而实现高转换效率光伏材料的重大突破，加速光伏技术的实用化进程，并可直接应用于人工光合作用、光催化等热点研究领域。
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。DNA损伤机制、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。DNA破损、癌细胞形成过程取决于分子电荷转移，而实时活体成像技术可获得生物样品“分子指纹”，揭示生物体中分子的工作机理，从而在分子层面实现癌症早期诊断。阿秒脉冲频谱宽，可达水窗波段（2.34-4.4纳米），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。
在信息领域，阿秒驱动光场的超快调控特性为超高速器件提供了全新的技术手段，阿秒技术有望突破信息响应速率和效率的瓶颈问题。集成电路的发展需求是提高信息响应速率的同时进一步降低功耗，这需要阿秒技术在超小空间尺度精确掌握电子的运动规律。另一方面，半导体电子器件开关速度面临瓶颈（GHz），阿秒相变技术使用阿秒光脉冲控制绝缘体-半导体的光致转变，可望实现新型光开关，以此为基础构建的新型Mott晶体管速率有望从GHz提高到PHz。同样，阿秒磁化可使磁存储/处理速率提高1000倍或更高，带来高速高效磁处理技术的变革，可引领信息技术革命。
阿秒技术对微观物质结构及其运动规律的深入理解达到电子动力学水平，是飞秒和皮秒等时间尺度超快技术所无法企及和深入的。它可研究原子分子（含生物大分子）和纳米结构、凝聚态物质中的电子运动，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，为了解化学反应和人工光合作用控制、生物结构特性乃至生命机理、新材料合成与应用等重大科学问题提供解决方法，并有望引发新的科技革命。
