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华师大研究员挑战超快物理测量极限,探寻阿秒化学时代

时间:2023-03-03 23:03:23 | 浏览:340

·基础研究需要的是灵活多变的思维、开阔的视野,不能在条条框框里跳舞,循规蹈矩出不了创新,但完全没有边界也不行,因为研究会走偏。宫晓春在华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室介绍阿秒团簇符合测量系统。阿秒是非常小的时间单位,相当于10的

·基础研究需要的是灵活多变的思维、开阔的视野,不能在条条框框里跳舞,循规蹈矩出不了创新,但完全没有边界也不行,因为研究会走偏。

宫晓春在华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室介绍阿秒团簇符合测量系统。

阿秒是非常小的时间单位,相当于10的负18次方秒。借助阿秒光源,人们研究物质结构的视野正从原子分子层面拓展到亚原子尺度,从而直接观测乃至操控电子的阿秒运动。“当人们能够进一步观测或者操控电子运动的时候,就会逐渐发现人们已经慢慢在尝试开启一个阿秒化学的时代。”华东师范大学(下称华师大)精密光谱科学与技术国家重点实验室研究员宫晓春日前在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)专访时表示。

今年8月,宫晓春入选“上海科技青年35人引领计划”获奖名单,以表彰其建成国际首套阿秒团簇符合测量系统,创新性提出阿秒团簇尺寸分辨谱,填补从孤立原子、分子到复杂凝聚态电子阿秒动力学精密测量空白。

填补阿秒动力学精密测量空白

阿秒符合测量谱是阿秒超快光学中最先进的度量学之一,其中的重要组成部分阿秒光脉冲自被提出后,便在原子、分子乃至凝聚态基础物理研究领域掀起一次超快测量革命。

2001年,奥地利维也纳技术大学费伦茨·克劳兹教授领导的国际研究小组首次获得脉宽650阿秒激光,此后阿秒激光脉宽纪录不断被刷新。2017年11月,苏黎世联邦理工学院(ETH)宣布成功将X射线激光器的脉冲持续时间缩短至43阿秒,创造激光脉冲持续时间最短的世界纪录。

阿秒光源将人们研究物质结构的视野从分子拓展到原子内部,有望以高速摄影的方式将物质内部原子尺度上的电子运动物理图像以“慢动作”形式再现,从而人类能以极高的时间分辨能力揭示电子动力学特性,为物理、化学、生物、材料、信息等领域的发展提供全新研究手段和重要创新机遇。

华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室研究员宫晓春

宫晓春介绍,电子就像化学反应或生命活动中的触角,可以传递或转移信息能量。“化学反应或生命活动中,不同物质接触后最先相互作用的是电子。同样的,光与物质相互作用时,也是先与物质内部的电子相互作用,然后再传递各种各样的信息。”例如水环境中的DNA的序列或基本单元在强光或高能辐射光辐照后,首先损伤的究竟是DNA还是水?初步研究证明,首先电离了水,水释放出低能电子,与其它碱基共振,实现电荷转移,打破氢键网络,乃至损伤周围的碱基单元。

传统观念认为,电子的电离过程是瞬时的,但随着阿秒光脉冲技术的发展,研究人员发现这一过程并非瞬时,电子需要数阿秒乃至数百阿秒的时间穿越原子或分子的电场。

团簇是介于原子、分子与宏观固体物质之间物质结构的新层次,是各种物质由原子、分子向大块物质转变的过渡状态。“以往研究的瓶颈在于研究人员主要采用红外、拉曼、THz等光谱手段,观测团簇里原子核的结构和运动,时间分辨的光电子能谱存在极大的局限性。”而宫晓春在阿秒度量谱学方面设计建造了国际上首套阿秒团簇符合测量系统,通过阿秒团簇尺寸分辨谱,研究人员可在单分子空间尺度及阿秒时间尺度层面精确测量不同尺寸的水团簇在光电离时刻,电子与母体空穴空间离域性之间的相互作用,揭示水团簇体系结构对称性、无序度与电子局域离域演化相互作用的阿秒超快测量。

阿秒度量谱学有望引领进一步探索阿秒光学及极端强场光物理方面的新奇现象与自然规律,实现化学反应及复杂凝聚态体系电子超快动力学精密测量与调控。“我们同时也在不断优化改造先进的极紫外阿秒光源及超高时间分辨的泵浦探测延迟线,基于这种高分辨的探测时钟,可以进一步探索超导、拓扑绝缘体等特殊物态体系内部的复杂电子动力学过程”,宫晓春说。

打破国外同行刻板印象

当年从中国海洋大学光信息科学与技术专业本科毕业时,宫晓春并不清楚什么是科研,只一门心思对超快光学感兴趣。2012年保研华师大,他选择的博士导师吴健教授刚回到国内正要搭建实验室,宫晓春就这样跟着导师研究电子离子符合测量,从起初单纯接收知识、“捡了一堆宝”,到融会贯通,成为阿秒仪器系统的设计者。

2017年博士毕业后,宫晓春获得留校资格,研究阿秒超快光学,但感到工作有些吃力,仍需学习新知识。2018年,他在苏黎世联邦理工学院物理化学系访问学习。苏黎世联邦理工学院物理化学实验室教授H. J. Wrner擅长阿秒光谱测量,宫晓春博士期间学习的是电子离子符合测量,双方优势互补,探索新的研究:阿秒符合测量技术。

合作的第一步是搭建实验室,宫晓春需要开发阿秒团簇符合测量系统。这期间宫晓春只管每天泡在实验室埋头苦干,“搭建实验室既能充分发挥我以前所学的内容,又是学习和培养各项新技能的最好时机。”结果宫晓春“火力全开”,不到一年时间就设计建造出这套系统。当他看到了水团簇,测到了阿秒电子过程,实验室里的博士生以及工程技术人员都感到不可思议。

那年圣诞节后,当宫晓春即将离开苏黎世联邦理工学院时,实验室里的电子工程师对他说,“一开始我觉得你会跟以前在这个实验室的大多数人一样,没想到你把实验室弄好了,仪器还测量出非常漂亮的结果。”对方承诺以后只要宫晓春有需求,都会全力支持。

2019年,宫晓春回国后,这套阿秒团簇符合测量系统仍在苏黎世联邦理工学院的实验室稳定运行,供国内外研究人员和新学生做实验、测数据,开展阿秒超快光电子研究,共同推动阿秒超快光学的学科发展。

创新不能在条条框框里跳舞

从苏黎世回国后,宫晓春在华师大精密光谱科学与技术国家重点实验室深入优化升级改造了阿秒团簇符合测量系统。当被问及在阿秒度量谱学研究领域取得的成绩是偶然还是必然时,他回答:在研究中,一定要不断琢磨、创新,“当你找到那条主线了之后,就知道怎么做了。”

宫晓春读博士时便研究电子测量,观测原子核运动,“当时还没有阿秒脉冲手段,并不清楚电子谱时频特征及其背后的物理机制,虽然知道电子是一种阿秒运动,却没有办法开展实时观测。”在阿秒光电离的研究过程中,他一直想琢磨明白电子的干涉机制,直到博士毕业前夕,他才找到突破口,“在不断数据分析、不断琢磨过程中,问题有了答案。”读博士期间,知识密集度高,宫晓春学得也快,多次在《物理评论快报》发表学术论文,拿到了实验室、学校、光学学会的奖励资助。过去几年少有学术论文发表时,他也没有虚度时光,而是不断打磨自己,补充学习实验和理论方面的不足。

在苏黎世做博士后,他觉得如果只是跟着别人的工作开展研究,没有太大意义,必须有所创新,于是着手设计建造阿秒团簇符合测量系统。当回国再建时,他又想着一定要有进一步的突破,探索孤立阿秒脉冲等先进科学技术,研究更复杂艰深的科学问题。

宫晓春说,基础研究需要的是灵活多变的思维、开阔的视野,“不能在条条框框里跳舞,循规蹈矩出不了创新,但完全没有边界也不行,因为研究会走偏。”

有了灵活的思维和自信,还要有明确的科研目标和科学的品位,“当你有足够的能力支撑去做这件事情,最终呈现出来的状态就是非常有创造力的。”他也表示,科学不以个人意志为转移,科研要以科学的态度对待科学问题,要有诚信。

目前,宫晓春正基于阿秒团簇符合测量系统研制原子分波干涉计,发展一种原子分波干涉的方法,分辨每个电子的成分,观测一个原子态里各个组份光电离过程中的时频特性和相互关联。他希望能有更多机会探求先进科学仪器设计新思路,实现超快物理研究的新突破,挑战超快物理测量极限及其在阿秒超快科学领域的拓展及应用。在超短的时间尺度及超高的空间分辨尺度,展示光与物质相互作用过程中,微观量子物理世界的非平衡动力学面貌,寻求物性测量与调控的极限。同时不断凝练核心关键技术,形成规范化、模块化的科学仪器,拓展多学科交叉融合的风向。“就像杨振宁先生说的,要有自己的小确幸。什么东西更高级,什么东西更有意义,什么东西在你看来更喜欢,你更希望与它站在一起,就像向日葵喜欢追着太阳,草总喜欢往天上长一样,可能这就是品位。”

(编者注:本文系澎湃科技与上海科技联合推出的“正自广阔:上海科技青年35人引领计划追光报道”系列之一。敬请垂注更多后续报道。)

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