探索微觀量子世界的“攝影師”

徐強(qiáng)+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(jī)”——亞10飛秒時(shí)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(dòng)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(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)，踏實(shí)求進(jìn)，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(jì)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(jī)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(dòng)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(jí)的電子回到低能級(jí)并將能量以光的形式放出的過程。電子回到低能級(jí)之前，往往首先要經(jīng)過一系列密集的電子組態(tài)或振動(dòng)能級(jí)馳豫到一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，而后通過發(fā)光釋放能量回到基態(tài)。聶博士意識(shí)到，他研究的發(fā)光過程其實(shí)是整個(gè)過程后期階段的表現(xiàn)，而當(dāng)時(shí)他的實(shí)驗(yàn)條件不具備足夠高的時(shí)間分辨來觀察電子前期弛豫的超快動(dòng)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(gè)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(duì)某一階段的表現(xiàn)，由于時(shí)間分辨的逐步提高，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)也是層層深入的，愈“深入”愈精彩。人們認(rèn)識(shí)事件的時(shí)候，要么只是個(gè)大概，要么只是抓住了“大象”的一個(gè)“尾巴”或“耳朵”，對(duì)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(rèn)識(shí)這個(gè)世界嗎？這個(gè)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(yùn)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(fù)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(rèn)識(shí)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(xì)的時(shí)間“尺”，由此成為多種時(shí)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(jī)”一樣，可以使人們能夠?qū)ψ匀唤绲囊恍┧矐B(tài)現(xiàn)象進(jìn)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(dòng)力學(xué)的種子。

這顆種子在聶博士畢業(yè)后的時(shí)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(qiáng)光物理研究。聶博士一路高歌猛進(jìn)，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(jì)劃”特聘教授。回顧以往，他的研究工作涉及超快動(dòng)力學(xué)、超快光學(xué)技術(shù)、高密度光存儲(chǔ)、發(fā)光材料和發(fā)光動(dòng)力學(xué)等多個(gè)交叉學(xué)科。累計(jì)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(rèn)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(qiáng)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(tái)”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(gè)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(jí)。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(shí)間分辨可以滿足這一層次大部分動(dòng)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(shí)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(dòng)力學(xué)過程。

他的成果主要包括：（1）用亞10飛秒時(shí)間分辨光譜學(xué)技術(shù)，在國際上首次通過實(shí)驗(yàn)得出MoS2載流子熱能化時(shí)間小于20飛秒，同時(shí)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(duì)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(xiàn)。聶博士采用亞5飛秒泵浦-探測光譜學(xué)，重新評(píng)估了實(shí)部對(duì)碳納米管聲子振幅譜的貢獻(xiàn)。這有利于人們深入理解當(dāng)時(shí)國際上尚有爭議的碳納米管聲子產(chǎn)生機(jī)理。（3）基于伯恩-奧本海默近似，電子和聲子的動(dòng)力學(xué)過程通常被認(rèn)為是相互獨(dú)立的。聶博士采用亞5飛秒激光脈沖，在碳納米管中實(shí)現(xiàn)了通過控制電子運(yùn)動(dòng)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(shí)間（泵浦光到達(dá)樣品的時(shí)間早于探測光）的動(dòng)力學(xué)分析，聶博士進(jìn)一步研究了沿負(fù)向時(shí)間的動(dòng)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(dòng)相位弛豫動(dòng)力學(xué)。這加深了人們對(duì)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(shí)現(xiàn)了在有機(jī)玻璃材料內(nèi)部不同深度層面上的多層數(shù)據(jù)點(diǎn)刻錄，并誘導(dǎo)數(shù)據(jù)點(diǎn)本身的光致發(fā)光。這種三維存儲(chǔ)模式可大大提高存儲(chǔ)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(jià)值。

談到超快動(dòng)力學(xué)的研究意義，聶博士表示，超快動(dòng)力學(xué)的研究往往不會(huì)直接帶來實(shí)用的產(chǎn)品，但它是一項(xiàng)能協(xié)助多種學(xué)科在更深層次上認(rèn)識(shí)客觀世界本質(zhì)的技術(shù)。如今，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，飛秒超快動(dòng)力學(xué)的研究可以在實(shí)驗(yàn)和理論上，對(duì)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(jī)理性指導(dǎo)。

展望未來，把“鏡頭”對(duì)準(zhǔn)明天

回到祖國懷抱的聶博士豪情萬丈，他計(jì)劃以超快光學(xué)平臺(tái)為基礎(chǔ)，以研究超快動(dòng)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(tuán)隊(duì)在激光光譜學(xué)和新型光電功能材料學(xué)科的綜合實(shí)力和自主創(chuàng)新能力。在快速發(fā)展的祖國經(jīng)濟(jì)實(shí)力和互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代背景下，他預(yù)期在3～5年時(shí)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(tuán)隊(duì)，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(xiàn)力量，共創(chuàng)科研事業(yè)美好的未來。