探索微观量子世界的“摄影师”

徐强+王永梅

古人“见微以知萌，见端以知末”。如今，他利用超快“摄像机”——亚10飞秒时间分辨光谱学技术观察微观量子世界里面的原子、分子甚至电子的“表演”，并给出它们连续的“动画”描述，由此架起从宏观世界通往微观世界的桥梁，探索宏观世界的微观物理学本质。在多年的科研工作中，他严谨务实，踏实求进，努力拼搏，成果显著。他，就是探索微观量子世界的“摄影师”，广东工业大学“百人计划”特聘教授聂兆刚博士。

微观量子“摄影师”的成长之路

聂博士于2007年毕业于中科院长春光机与物理研究所，凝聚态物理专业。他博士阶段的工作侧重于材料合成和发光动力学研究。从微观上来说，发光是接受能量跃迁到高能级的电子回到低能级并将能量以光的形式放出的过程。电子回到低能级之前，往往首先要经过一系列密集的电子组态或振动能级驰豫到一个亚稳态能级，而后通过发光释放能量回到基态。聂博士意识到，他研究的发光过程其实是整个过程后期阶段的表现，而当时他的实验条件不具备足够高的时间分辨来观察电子前期弛豫的超快动力学过程。拓展来讲，人们研究的各种现象往往都是事件发展过程中的某一个阶段的表现，那么事件的整体特征是什么，常常令人困惑。即使是对某一阶段的表现，由于时间分辨的逐步提高，人们对它的认识也是层层深入的，愈“深入”愈精彩。人们认识事件的时候，要么只是个大概，要么只是抓住了“大象”的一个“尾巴”或“耳朵”，对整头“大象”好似一无所知。聂博士常常问自己：我们真的可以认识这个世界吗？这个在聂博士现在看来近似幼稚的问题在他心中缠绕了很多年。

聂博士表示，他很幸运地遇到了他的恩师张家骅研究员和王笑军教授，他们都是激光光谱学专家，并且张家骅研究员还负责讲授《激光光谱学》这门课程。通过这门课程的学习他认识到，超短脉冲激光的持续周期可以为飞秒（1飞秒=10-15秒）甚至亚飞秒，这为我们研究超快现象提供了刻度非常精细的时间“尺”，由此成为多种时间分辨光谱技术的核心。这些超快激光技术就像“摄像机”一样，可以使人们能够对自然界的一些瞬态现象进行“录像”，以帮助人们了解这些超快现象变化的过程。这门课程的学习，在他心里种下了利用超快激光光谱学研究微观超快动力学的种子。

这颗种子在聂博士毕业后的时间里，一直成长了8年。在这期间，他先后在韩国（延世大学和国立忠北大学）、日本（电气通信大学小林孝嘉研究组）和新加坡（南洋理工大学Loh Zhiheng研究组）从事相关的超快和超强光物理研究。聂博士一路高歌猛进，直到2016年回到祖国怀抱，在广东工业大学物理与光电工程学院任“百人计划”特聘教授。回顾以往，他的研究工作涉及超快动力学、超快光学技术、高密度光存储、发光材料和发光动力学等多个交叉学科。累计共发表文章39篇，包括ACS Nano， Phys. Rev. B， J. Phys. Chem. Lett.， Appl. Phys. Lett.， Opt. Lett.等业界广泛认可的文章37篇（SCI或EI收录）。小种子已开花，这些工作已经引起超强和超快激光光谱学及材料物理学等研究领域的广泛关注。

回顾过去，量子“舞台”上看好“戏”

在国外近五年的研究工作中，聂博士沉浸在电子和声子的世界里，研究这些量子们的“表演”与宏观物理现象的必然联系。电子，声子，以及电-声子耦合是凝聚态物理中许多现象的核心问题。在这个世界里，最关键的过程往往发生在皮秒、飞秒甚至亚飞秒量级。人类本身视觉的分辨能力只有1/24秒，根本不满足这方面的要求。而亚10飞秒的时间分辨可以满足这一层次大部分动力学观察的需要。比如，它可以有效地观察载流子传输和弛豫、化学反应过程中化学键断裂和重新组合，还可以研究生物学上的光合作用等等。聂博士的工作主要是利用亚10飞秒的时间分辨泵浦-探测研究低维半导体纳米材料和生物分子的超快电-声子动力学过程。

他的成果主要包括：（1）用亚10飞秒时间分辨光谱学技术，在国际上首次通过实验得出MoS2载流子热能化时间小于20飞秒，同时发现载流子之间和载流子与声子之间的两种散射模式对载流子热能化过程都有重要影响。（2）以往泵浦-探测光谱学的研究工作往往只考虑三阶非线性极化率虚部的贡献。聂博士采用亚5飞秒泵浦-探测光谱学，重新评估了实部对碳纳米管声子振幅谱的贡献。这有利于人们深入理解当时国际上尚有争议的碳纳米管声子产生机理。（3）基于伯恩-奥本海默近似，电子和声子的动力学过程通常被认为是相互独立的。聂博士采用亚5飞秒激光脉冲，在碳纳米管中实现了通过控制电子运动来诱导纳米管轴向声子振荡模式的改变。这启示人们重新理解电-声子耦合现象。（4）到目前为止，大多数飞秒泵浦-探测光谱学注重了正向时间（泵浦光到达样品的时间早于探测光）的动力学分析，聂博士进一步研究了沿负向时间的动力学过程，讨论了碳纳米管激发电子态的电子失相和振动相位弛豫动力学。这加深了人们对超快激光光谱学的理解。（5）通过非线性多光子吸收的原理，实现了在有机玻璃材料内部不同深度层面上的多层数据点刻录，并诱导数据点本身的光致发光。这种三维存储模式可大大提高存储密度和信噪比。所用材料成本低，稳定性高，使用周期长，具有潜在的商用价值。

谈到超快动力学的研究意义，聂博士表示，超快动力学的研究往往不会直接带来实用的产品，但它是一项能协助多种学科在更深层次上认识客观世界本质的技术。如今，人们已经认识到，飞秒超快动力学的研究可以在实验和理论上，对光功能、新能源，化学反应，生命现象等诸多领域提供重要的机理性指导。

展望未来，把“镜头”对准明天

回到祖国怀抱的聂博士豪情万丈，他计划以超快光学平台为基础，以研究超快动力学过程为核心，注重材料、光学，化学和生物学等多学科的交叉和融合，极大地提高科研团队在激光光谱学和新型光电功能材料学科的综合实力和自主创新能力。在快速发展的祖国经济实力和互联网的时代背景下，他预期在3～5年时间内组建起一支拥有广泛国际合作和在超快激光光谱学领域具有国际影响力的团队，从事飞秒物理学、飞秒化学及飞秒生物学等相关领域的研究，为祖国的科研事业贡献力量，共创科研事业美好的未来。