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技術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本質。在多年的科研工作中，他嚴謹務實，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”，廣東工業大學“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年畢業于中科院長春光機與物理研究所，凝聚態物理專業。他博士階段的工作側重于材料合成和發光動力學研究。從微觀上來說，發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，往往首先要經過一系列密集的電子組態或振動能級馳豫到一個亞穩態能級，而后通過發光釋放能量回到基態。聶博士意識到，他研究的發光過程其實是整個過程后期階段的表現，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過程。拓展來講，人們研究的各種現象往往都是事件發展過程中的某一個階段的表現，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，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專家，并且張家驊研究員還負責講授《激光光譜學》這門課程。通過這門課程的學習他認識到，超短脈沖激光的持續周期可以為飛秒（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的核心。這些超快激光技術就像“攝像機”一樣，可以使人們能夠對自然界的一些瞬態現象進行“錄像”，以幫助人們了解這些超快現象變化的過程。這門課程的學習，在他心里種下了利用超快激光光譜學研究微觀超快動力學的種子。

這顆種子在聶博士畢業后的時間里，一直成長了8年。在這期間，他先后在韓國（延世大學和國立忠北大學）、日本（電氣通信大學小林孝嘉研究組）和新加坡（南洋理工大學Loh Zhiheng研究組）從事相關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，在廣東工業大學物理與光電工程學院任“百人計劃”特聘教授?；仡櫼酝?，他的研究工作涉及超快動力學、超快光學技術、高密度光存儲、發光材料和發光動力學等多個交叉學科。累計共發表文章39篇，包括ACS Nano， Phys. Rev. B， J. Phys. Chem. Lett.， Appl. Phys. Lett.， Opt. Lett.等業界廣泛認可的文章37篇（SCI或EI收錄）。小種子已開花，這些工作已經引起超強和超快激光光譜學及材料物理學等研究領域的廣泛關注。

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”與宏觀物理現象的必然聯系。電子，聲子，以及電-聲子耦合是凝聚態物理中許多現象的核心問題。在這個世界里，最關鍵的過程往往發生在皮秒、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、化學反應過程中化學鍵斷裂和重新組合，還可以研究生物學上的光合作用等等。聶博士的工作主要是利用亞10飛秒的時間分辨泵浦-探測研究低維半導體納米材料和生物分子的超快電-聲子動力學過程。

他的成果主要包括：（1）用亞10飛秒時間分辨光譜學技術，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，同時發現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，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生機理。（3）基于伯恩-奧本海默近似，電子和聲子的動力學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，在碳納米管中實現了通過控制電子運動來誘導納米管軸向聲子振蕩模式的改變。這啟示人們重新理解電-聲子耦合現象。（4）到目前為止，大多數飛秒泵浦-探測光譜學注重了正向時間（泵浦光到達樣品的時間早于探測光）的動力學分析，聶博士進一步研究了沿負向時間的動力學過程，討論了碳納米管激發電子態的電子失相和振動相位弛豫動力學。這加深了人們對超快激光光譜學的理解。（5）通過非線性多光子吸收的原理，實現了在有機玻璃材料內部不同深度層面上的多層數據點刻錄，并誘導數據點本身的光致發光。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，穩定性高，使用周期長，具有潛在的商用價值。

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

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，他計劃以超快光學平臺為基礎，以研究超快動力學過程為核心，注重材料、光學，化學和生物學等多學科的交叉和融合，極大地提高科研團隊在激光光譜學和新型光電功能材料學科的綜合實力和自主創新能力。在快速發展的祖國經濟實力和互聯網的時代背景下，他預期在3～5年時間內組建起一支擁有廣泛國際合作和在超快激光光譜學領域具有國際影響力的團隊，從事飛秒物理學、飛秒化學及飛秒生物學等相關領域的研究，為祖國的科研事業貢獻力量，共創科研事業美好的未來。