探索微觀量子世界的“攝影師”

徐強+王永梅

古人“見微以知萌，見端以知末”。如今，他利用超快“攝像機”——亞10飛秒時間分辨光譜學(xué)技術(shù)觀察微觀量子世界里面的原子、分子甚至電子的“表演”，并給出它們連續(xù)的“動畫”描述，由此架起從宏觀世界通往微觀世界的橋梁，探索宏觀世界的微觀物理學(xué)本質(zhì)。在多年的科研工作中，他嚴謹務(wù)實，踏實求進，努力拼搏，成果顯著。他，就是探索微觀量子世界的“攝影師”，廣東工業(yè)大學(xué)“百人計劃”特聘教授聶兆剛博士。

微觀量子“攝影師”的成長之路

聶博士于2007年畢業(yè)于中科院長春光機與物理研究所，凝聚態(tài)物理專業(yè)。他博士階段的工作側(cè)重于材料合成和發(fā)光動力學(xué)研究。從微觀上來說，發(fā)光是接受能量躍遷到高能級的電子回到低能級并將能量以光的形式放出的過程。電子回到低能級之前，往往首先要經(jīng)過一系列密集的電子組態(tài)或振動能級馳豫到一個亞穩(wěn)態(tài)能級，而后通過發(fā)光釋放能量回到基態(tài)。聶博士意識到，他研究的發(fā)光過程其實是整個過程后期階段的表現(xiàn)，而當時他的實驗條件不具備足夠高的時間分辨來觀察電子前期弛豫的超快動力學(xué)過程。拓展來講，人們研究的各種現(xiàn)象往往都是事件發(fā)展過程中的某一個階段的表現(xiàn)，那么事件的整體特征是什么，常常令人困惑。即使是對某一階段的表現(xiàn)，由于時間分辨的逐步提高，人們對它的認識也是層層深入的，愈“深入”愈精彩。人們認識事件的時候，要么只是個大概，要么只是抓住了“大象”的一個“尾巴”或“耳朵”，對整頭“大象”好似一無所知。聶博士常常問自己：我們真的可以認識這個世界嗎？這個在聶博士現(xiàn)在看來近似幼稚的問題在他心中纏繞了很多年。

聶博士表示，他很幸運地遇到了他的恩師張家驊研究員和王笑軍教授，他們都是激光光譜學(xué)專家，并且張家驊研究員還負責(zé)講授《激光光譜學(xué)》這門課程。通過這門課程的學(xué)習(xí)他認識到，超短脈沖激光的持續(xù)周期可以為飛秒（1飛秒=10-15秒）甚至亞飛秒，這為我們研究超快現(xiàn)象提供了刻度非常精細的時間“尺”，由此成為多種時間分辨光譜技術(shù)的核心。這些超快激光技術(shù)就像“攝像機”一樣，可以使人們能夠?qū)ψ匀唤绲囊恍┧矐B(tài)現(xiàn)象進行“錄像”，以幫助人們了解這些超快現(xiàn)象變化的過程。這門課程的學(xué)習(xí)，在他心里種下了利用超快激光光譜學(xué)研究微觀超快動力學(xué)的種子。

這顆種子在聶博士畢業(yè)后的時間里，一直成長了8年。在這期間，他先后在韓國（延世大學(xué)和國立忠北大學(xué)）、日本（電氣通信大學(xué)小林孝嘉研究組）和新加坡（南洋理工大學(xué)Loh Zhiheng研究組）從事相關(guān)的超快和超強光物理研究。聶博士一路高歌猛進，直到2016年回到祖國懷抱，在廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院任“百人計劃”特聘教授?；仡櫼酝?，他的研究工作涉及超快動力學(xué)、超快光學(xué)技術(shù)、高密度光存儲、發(fā)光材料和發(fā)光動力學(xué)等多個交叉學(xué)科。累計共發(fā)表文章39篇，包括ACS Nano， Phys. Rev. B， J. Phys. Chem. Lett.， Appl. Phys. Lett.， Opt. Lett.等業(yè)界廣泛認可的文章37篇（SCI或EI收錄）。小種子已開花，這些工作已經(jīng)引起超強和超快激光光譜學(xué)及材料物理學(xué)等研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

回顧過去，量子“舞臺”上看好“戲”

在國外近五年的研究工作中，聶博士沉浸在電子和聲子的世界里，研究這些量子們的“表演”與宏觀物理現(xiàn)象的必然聯(lián)系。電子，聲子，以及電-聲子耦合是凝聚態(tài)物理中許多現(xiàn)象的核心問題。在這個世界里，最關(guān)鍵的過程往往發(fā)生在皮秒、飛秒甚至亞飛秒量級。人類本身視覺的分辨能力只有1/24秒，根本不滿足這方面的要求。而亞10飛秒的時間分辨可以滿足這一層次大部分動力學(xué)觀察的需要。比如，它可以有效地觀察載流子傳輸和弛豫、化學(xué)反應(yīng)過程中化學(xué)鍵斷裂和重新組合，還可以研究生物學(xué)上的光合作用等等。聶博士的工作主要是利用亞10飛秒的時間分辨泵浦-探測研究低維半導(dǎo)體納米材料和生物分子的超快電-聲子動力學(xué)過程。

他的成果主要包括：（1）用亞10飛秒時間分辨光譜學(xué)技術(shù)，在國際上首次通過實驗得出MoS2載流子熱能化時間小于20飛秒，同時發(fā)現(xiàn)載流子之間和載流子與聲子之間的兩種散射模式對載流子熱能化過程都有重要影響。（2）以往泵浦-探測光譜學(xué)的研究工作往往只考慮三階非線性極化率虛部的貢獻。聶博士采用亞5飛秒泵浦-探測光譜學(xué)，重新評估了實部對碳納米管聲子振幅譜的貢獻。這有利于人們深入理解當時國際上尚有爭議的碳納米管聲子產(chǎn)生機理。（3）基于伯恩-奧本海默近似，電子和聲子的動力學(xué)過程通常被認為是相互獨立的。聶博士采用亞5飛秒激光脈沖，在碳納米管中實現(xiàn)了通過控制電子運動來誘導(dǎo)納米管軸向聲子振蕩模式的改變。這啟示人們重新理解電-聲子耦合現(xiàn)象。（4）到目前為止，大多數(shù)飛秒泵浦-探測光譜學(xué)注重了正向時間（泵浦光到達樣品的時間早于探測光）的動力學(xué)分析，聶博士進一步研究了沿負向時間的動力學(xué)過程，討論了碳納米管激發(fā)電子態(tài)的電子失相和振動相位弛豫動力學(xué)。這加深了人們對超快激光光譜學(xué)的理解。（5）通過非線性多光子吸收的原理，實現(xiàn)了在有機玻璃材料內(nèi)部不同深度層面上的多層數(shù)據(jù)點刻錄，并誘導(dǎo)數(shù)據(jù)點本身的光致發(fā)光。這種三維存儲模式可大大提高存儲密度和信噪比。所用材料成本低，穩(wěn)定性高，使用周期長，具有潛在的商用價值。

談到超快動力學(xué)的研究意義，聶博士表示，超快動力學(xué)的研究往往不會直接帶來實用的產(chǎn)品，但它是一項能協(xié)助多種學(xué)科在更深層次上認識客觀世界本質(zhì)的技術(shù)。如今，人們已經(jīng)認識到，飛秒超快動力學(xué)的研究可以在實驗和理論上，對光功能、新能源，化學(xué)反應(yīng)，生命現(xiàn)象等諸多領(lǐng)域提供重要的機理性指導(dǎo)。

展望未來，把“鏡頭”對準明天

回到祖國懷抱的聶博士豪情萬丈，他計劃以超快光學(xué)平臺為基礎(chǔ)，以研究超快動力學(xué)過程為核心，注重材料、光學(xué)，化學(xué)和生物學(xué)等多學(xué)科的交叉和融合，極大地提高科研團隊在激光光譜學(xué)和新型光電功能材料學(xué)科的綜合實力和自主創(chuàng)新能力。在快速發(fā)展的祖國經(jīng)濟實力和互聯(lián)網(wǎng)的時代背景下，他預(yù)期在3～5年時間內(nèi)組建起一支擁有廣泛國際合作和在超快激光光譜學(xué)領(lǐng)域具有國際影響力的團隊，從事飛秒物理學(xué)、飛秒化學(xué)及飛秒生物學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的研究，為祖國的科研事業(yè)貢獻力量，共創(chuàng)科研事業(yè)美好的未來。