原子分子物理与光物理学研究进展概述

孟庆田

(山东师范大学物理与电子科学学院，250358，济南)

1 引 言

原子分子物理与光物理学(AMO物理学)是在原子分子水平上研究物质的基本结构和演化，利用光的现象了解物质的本质，并探讨光和物质相互作用规律的科学[1].一方面，AMO既是物理学几大重要方向比如核物理、等离子体物理、大气物理、凝聚态物理、高能物理等的研究基础，也是物理学联结天文学、化学、高层大气物理学和生物物理学的桥梁.另一方面，原子分子物理学可以为光现象的解释提供理论和物质基础，而光学技术的发展进步，比如激光及其光谱技术的出现和应用，又可以为原子分子物理学的研究提供可靠工具，从而为原子分子物理研究注入新的活力和研究内容[2].因此二者的交叉融合是AMO物理学研究内容不断创新的基础，也是AMO物理学研究一直具有强大生命力的保证.另外在AMO物理学的发展过程中，也培养了一大批在自然科学领域和其他高科技领域发挥重要作用的领军人才.他们将在AMO物理学研究中所使用的理论和实验方法灵活应用到其他更为广阔的领域，比如国家安全、能源和材料等领域中，促进了这些研究领域的快速发展.

从上个世纪七、八十年代到本世纪初的前20年，是当代AMO物理学发展的重要阶段.在这半个多世纪里，实验技术的进步和计算手段的提高，特别是激光光谱技术在物质结构及其运动规律分析中的应用，使得AMO物理学的理论和实验研究无论是在精度的提高方面还是在层次的深入方面都有了很大的改善，这其中包括基于激光的精密光谱学的研究、基于量子光学的量子态的操控、极端条件下的原子分子与材料物理等，而且AMO物理学在国防科技、量子通信和计算、能源和材料、化学和生物科学等方面所蕴藏着的巨大应用前景，也让当今物理学领域对AMO物理学的研究有着更强的依赖性，各学科的交叉融合更加明显[3].本文将概述AMO物理学的国内外发展现状，特别介绍我国自改革开放以来AMO物理学研究方面的一些新进展，以及为保障AMO物理学研究的可持续发展所采取的相应措施，并结合在科技创新方面所面临的挑战，提出了一些亟待解决的问题.

2 国内外研究进展

人们对AMO物理学的探索可以追溯到19世纪关于太阳光谱和气体放电的研究，并于上世纪二十年代发展到第一次高峰时期.以此为基础并在大量实验研究的启示下，人们建立了量子力学和相对论，而量子力学和相对论又为AMO物理学的进一步发展提供了可靠的理论研究工具.当代AMO物理学的发展开始于上世纪六、七十年代，特别是随着激光技术的发展和应用[4]，AMO物理学进入了又一个高峰时期，其特点是研究领域空前广泛、数据空前精确、发展空前迅速[5]，比如碱金属原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的发现[6]、基于激光的精密光谱学的发展[7]、原子分子的超灵敏检测技术的发展[8]以及单个量子系统的测量和操控等[9].所有这些新技术和新发现都离不开AMO的相互融合.特别是当今全世界范围内发展新高技术的剧烈竞争，迫切需要大量的AMO方法和数据，这更加推动了AMO物理学的发展.

图1 超冷分子的光缔合过程[12](1)缔合激光将碰撞原子对激发到电子激发态势能面上；(2′)由激发束缚态自发辐射形成一对热原子；(2′′)由激发束缚态自发辐射形成基态束缚分子.

进入21世纪以来，计算手段的改善和实验技术的进步使得AMO物理学的研究水平得到了快速的提升.随着一大批科研成果的出现，原子分子物理学与光学的融合效应体现得更加明显，比较有代表性的有：1)超冷分子的制备.一个典型的方案是冷原子的光缔合，即一对冷碰撞原子吸收一个光子缔合形成一个束缚的电子激发态分子，之后会辐射一个光子并在电子基态上形成一个束缚稳定的分子(图1).现在激光冷却技术的发展使得可以通过光缔合产生温度低于几个nK的分子[10,11]，并且可以获得谱精度非常高的光缔合光谱.这种光谱可以为研究原子分子的相互作用、理解其碰撞性质提供非常有用的工具[12].特别是由此产生的超冷分子其平动温度远小于分子间的相互作用能，非常有利于物质新量子态的产生，对于实现化学动力学的精准控制具有重要意义[13].2)分子BEC的产生.当一对超冷原子相互接近并发生碰撞时，可以用激光来捕捉这对碰撞原子并把它们转变成分子[14].科学家在用铷原子BEC所做的相关实验中，用磁场来调制两个碰撞原子的能量，这样原子对就能形成准束缚的长寿命分子态.分子BEC的形成不仅可以揭示新的分子光谱特性和碰撞物理，而且还可为超冷量子化学甚至量子计算的应用开辟新的通道[15,16].3)原子的费米凝聚体的产生.众所周知，根据泡利不相容原理，不同的费米子不能占据同一量子态，因此费米子不能像玻色子那样直接形成BEC.然而科学家通过一种叫库伯对的机制，可以将费米子结合在一起，从而形成具有玻色子性质的“费米子”.这样这些费米子就可以在温度达到极限的时候，慢慢占据最低能量状态，从而实现原子的费米凝聚[17].4)各种极端或异常条件下凝聚态材料性质的变化.物质在几万乃至上百万大气压与高温、低温、强磁场、强激光场、超快过程等相结合的特殊环境下会出现许多新的物理现象，并伴随着许多新的物理问题的产生.比如利用强磁场可以控制纳米颗粒朝某一优先方向生长，从而获得高度各向异性的纳米材料(图2)[18].利用超快过程中提取的信息，可以研究凝聚相体系中在自由基、激发态等短寿命瞬变物的产生、湮灭以及电子、原子(基团)的转移、价键变化或几何异构化、光电离、光解离、能量的辐射与非辐射转移等.这些都与信息的产生、传递、储存等有密切的关系[19,20].5)基于量子光学的量子态的控制.在量子信息理论中，量子相干和量子纠缠的研究一直受到人们广泛的关注，在很多方面都有着重要的应用价值，比如量子编码、量子隐形传态、量子密钥分配和量子计算等.现在人们已经在许多实验系统中制备了量子纠缠态，并实现了单光子态和量子纠缠态在偏振、路径、波导模式等不同自由度之间的相干转换，其干涉可见度均超过了 90%，为集成量子光学芯片上光子多个自由度的操纵和转换提供了重要实验依据[21,22].6)等离子体物理和受控核聚变.等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的科学.核聚变是指由质量小的原子(如氘和氚等)在一定的条件下(如超高温和高压)发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核(如氦等)，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式(图3)[23].目前人类已经能够实现不受控制的核聚变，比如氢弹爆炸，但是要想使核聚变释放出巨大能量并可以被人类有效利用，就必须对核聚变实行人工控制，即受控核聚变.目前有两种受控核聚变的形式，即磁约束聚变和惯性约束聚变.而受控核聚变等离子体的研究，就是通过一代又一代的实验装置来产生具有特定性能的等离子体，逐步提高它们的温度和约束程度[24].7)激光在生物物理学中的应用.在生物物理学研究中，生物大分子及其复合物结构的测定是许多重要研究工作的基础，而X射线自由电子激光因其短脉冲、完全相干等的特点，在理论上可以对单颗粒或者单分子进行原子分辨的相干衍射成像，实验上可以利用记录的连续衍射图案还原相位，解析原子分辨的结构，实现不需要晶体的晶体学，从而成为生物大分子及其复合结构测定的重要工具[25].日常生活中人们也非常关心一些谷物样品的蛋白质含量，而激光诱导分解光谱则提供了一个快速、简单、可靠及环境友好的蛋白质含量分析技术，利用该方法可以在一个相当短的时间内分析大量样品.这种技术在生物产品组分的精确分析方面具有很大的潜力[26].除了上述介绍的几个方面，AMO物理学研究还包括一些其他复杂物质系统的性质和交叉学科的内容，并在每一个复杂层次上都会有完全新的性质规律出现，而且在研究方法上呈现出微观与宏观相结合、在研究手段上呈现出技术和应用相结合、数学模拟和仿真相结合等特点.特别是在研究对象和研究方法上，原子分子物理和光物理联系得如此紧密，以至于科学技术发展到今天，任何一种手段也难以将这两个方面的研究完全隔离开来[27]，这也是国际上将其统称为AMO物理学的原因所在.

图2 用强磁场来合成一维空心纳米链并为高速超级电容器组装具有一定取向的纳米链/石墨烯薄片电容电极.该电极能快速展示显著的比率容量以及能量密度[18].

图3 核聚变是指由质量小的原子(如氘和氚)在一定的条件下发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核(如氦)，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式[23].

就我国当代AMO物理学的研究来说，光学比原子与分子物理学起步要早一些.1961年，我国第一台红宝石激光器在长春光机所诞生，它比美国的梅曼在休斯实验室发明的红宝石激光器仅晚一年[28,29].激光器的发明和发展引起了光学技术的重大变革，也带动了其它相关学科的发展，原子与分子物理学更不例外.特别是改革开放以后，随着我国对外交流大门的敞开，AMO物理学遇到了难得的发展机遇.在老一辈科学家的倡议和支持下，1978年10月实施的《1978-1985年全国科学技术发展规划纲要》中，除激光物理学被列为影响全局的带头学科之一外，原子分子物理学第一次在我国被规划为物理学的一个重要分支学科[30].这个规划所列的原子分子物理学四个研究内容中有两个方面就与光学密切相关，即原子光谱及原子与光子的相互作用、分子光谱及分子与光子的相互作用.也就是说，我国原子与分子物理学从起步开始就与光学紧密联系在了一起，其发展战略也经历了一个从无到有，从薄弱到加强再到快速发展的过程.特别是随着市场经济体制在我国的逐步建立，加上国家对基础研究认识的不断深入、国家经济实力和基础研究水平的不断提高，学科的自主发展也逐渐成为可能，这也为原子分子物理与光物理的交叉融合提供了更为广阔的发展空间.可以这样说，二十世纪的后20年也是我国AMO物理学研究逐步走上正轨的20年.在这20年里，我国科学家为追赶国际先进水平砥砺前行，在强场与原子分子相互作用、交叉分子束实验、X-射线及高分辨激光光谱、惯性约束聚变等方面都取得了显著的成就，得到了国际同行的认可[31]，较好地实现了与国际学术界的接轨，并促进了当代科技、国防、经济的发展和人民物质水平的提高.

本世纪到目前为止的近20年也是我国AMO物理学发展一个新的高峰期.在国家科技创新战略的引领下，我国的科研人员经过多年的努力，在量子信息、光学、材料科学等研究方面取得了举世瞩目的成就，一批新的研究成果也获得了近几年的国家自然科学一等奖.比如中国科学技术大学的潘建伟院士研究团队在量子通信和量子计算等多个方向上取得了世界领先的科研成果，其项目“多光子纠缠和干涉度量学”获得了2015年度国家自然科学一等奖[32].2016年，该团队承担研制的世界首颗量子科学实验卫星发射升空，实现了世界首个星地间的量子保密通信和量子隐形传态(图4)[33].2017年的国家自然科学一等奖颁给了香港科技大学的唐本忠研究团队，以表彰他们在聚集诱导发光(AIE)研究方面所做出的贡献[34].他们在研究中发现，经紫光灯照射后的六苯基噻咯有机分子在分散状态下，激发态的能量可以通过分子内苯环转动的机械运动方式消耗掉，无需通过辐射方式消耗，因此不需要发光.但当这些分子聚集起来时，分子间错落堆架，螺旋桨得不到足够空间而使运动受限，能量就需要通过辐射途径消耗，因此越聚集越发光.这种AIE材料在光电器件、化学传感、生物检测和成像诊疗等领域都具备极其优异的性能.2018年的国家自然科学一等奖则是授予了国际上首次实现“量子反常霍尔效应”的薛其坤研究团队.人们早就知道了量子霍尔效应，但它的产生需要非常强的磁场.而量子反常霍尔效应不需要任何外加磁场就可以实现量子霍尔态.为了实现量子反常霍尔效应，科学家们付出了巨大的努力.2008年美国斯坦福大学张首晟教授指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向，之后世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应，但一直没有取得突破.2013年，薛其坤研究团队利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应[35].该成果在美国《Science》杂志发表后，引起国际学术界的震动，著名物理学家杨振宁称其为“诺贝尔奖级的物理学论文”.其成果将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命进程.

图4 基于量子纠缠的量子随机数产生示意图

超强超短脉冲激光是激光科学与技术领域的重要前沿，中国科学家在这一领域基本保持了与国际前沿同步的发展势头，在某些研究上获得了处于国际领先水平的成果[31]，在超强超短脉冲应用于强场原子和分子高次谐波、电子动力学测量、阿秒X射线相干辐射产生、激光尾波场高能电子加速等研究方面也取得了一些标志性的创新成果，获得2018年中国光学科技奖一等奖的项目“飞秒激光与原子分子作用的电离机制及相干控制”就是这些成果的代表之一[36].在精密光谱的实验研究方面，由中国科学院武汉物理与数学研究所高克林领导的囚禁离子研究组，在单离子光频标单元技术攻关、高精度光频标的实现和基于光频标进行相关精密测量物理等方面取得了一系列创新性研究成果.他们通过对囚禁离子动力学、光频跃迁探测所用的超窄线宽激光器以及原子与环境外场相互作用的细致研究，实现了单离子的长期稳定囚禁和钙离子光频标的频率锁定，成功研制出了国内首台基于单个囚禁冷却钙离子的光频标(图5)[37]，相关专家高度评价“该成果达到国际先进水平”.在利用高分辨率交叉分子束装置对量子反应散射动力学进行的理论和实验研究方面，中国科学技术大学和大连化学物理研究所也做出了突出的工作，他们采用新研制的交叉分子束分子散射实验装置，通过将离子速度成像技术与真空紫外+紫外双光子阈值电离技术相结合，对一些基元化学反应开展了高分辨的实验研究，获得了具有转动量子态分辨的产物影像，实现了对反应产物质心散射角度的高分辨探测[38]，相关研究也走在了世界前列.在超冷分子的光缔合及碰撞反应研究方面，国内一些科研单位也做出了突出成绩.比如山西大学贾锁堂研究团队基于Feshbach共振增强的光缔合效应，研究了超冷碱金属原子在d波Feshbach共振附近的光缔合,并获得了Feshbach共振光缔合光谱,建立了原子-分子系统中由磁光量子干涉形成的Fano共振理论，为其它分子的光缔合奠定了一定的理论和实验基础[39,40]；中国科技大学的潘建伟研究团队从温度为几百纳开的超冷钠和钾原子混合气出发，在制备出处于不同超精细态的钠钾振转基态分子后，与处于不同内态的钾原子相混合，通过磁场来精准调控原子分子散射态和三体束缚态的能量差，成功地在分子损失谱上观测到了超低温下钠钾基态分子和钾原子间的一系列散射共振峰[41].从某种意义上说，这方面的工作改变了超冷分子和超冷物理化学的游戏规则，是当前原子分子物理学研究的亮点，对于量子器件的设计(图6)及量子信息、量子计算和精密光谱学的研究具有非常重要的意义[42,43].这些成果的获得不仅奠定了我国在相关研究领域应有的国际领先地位，而且为我国AMO物理学的进一步发展提供了理论和技术保障，同时也为我国的国民经济和社会发展提供了巨大推动力.

为支持和鼓励我国的科技工作者在AMO物理学研究方面继续保持强劲的动力，科技部和国家自然科学基金委(现归科技部管理)每年都在数理学部和信息学部资助或重点资助一些相关的科研项目[44]，强调要“重视激光与原子分子相互作用等问题的研究”、“加强量子频标、量子计算、量子信息和原子分子精密谱、精密测量物理与方法等方面的物理探索”、“强化高分辨与高灵敏激光光谱学、冷原子分子及其与光场的相互作用”；优先资助“高性能光源、新型传感材料器件与技术、微纳光电器件与技术、量子光学和量子器件、宽禁带半导体材料与器件、生物医学光学、环境与海洋光学等方面的研究”，等等.这里列举的仅是一些AMO物理学交叉融合的研究项目.除此之外，教育部和其他部委及地方政府、各高校(科研单位)也为一些学科的发展建立了相应的资助体系，基本形成了以国家重大需求为主的“大科学”项目和以鼓励自由探索为主的“小科学”项目分离的双层结构.这种制度设计是我国国情的反映,同时也是国家和学术互动的结果.事实上，正是得益于科技部、国家自然科学基金委员会、教育部和其他部委及地方政府等的大力资助，改革开放以来，特别是最近20年来，我国的科技事业才呈现出科技创新能力提高、科技人力资源雄厚、科技资金来源多元化、民生科技产业兴起等突飞猛进的态势[45]，从而奠定了我国在国际上科技大国的地位，也才造就了上述那些AMO物理学研究中世人瞩目的科技成果.

图5 魔幻波长测量装置示意图(DL:二极管激光；AOM：声光调制器；PD：光二极管；PBS：偏光分束器)[37]

来自于各层面的经费资助不仅为AMO物理学自身的发展提供了保障，也为各相关学科的交流提供了条件，这也正是一门交叉学科所必需的.多年来，广大AMO物理学研究人员非常关注学科的渗透，并利用各种机会了解相关领域的研究进展.为增强国内AMO物理学研究领域青年科学家之间的交流与合作，激发青年学者的创新性，培养高素质的青年科研队伍，自2011年起，由国家自然科学基金委员会物理科学一处发起的全国AMO青年科学家论坛连续七年分别在北京计算科学研究中心、中国科学院武汉物理与数学研究所、华东师范大学、山西大学、中国科学院物理所、中国科技大学和吉林大学举办.本论坛面向该领域最优秀的 40 岁以下青年学者，每届都吸引接近70多位原子分子物理、光学等方向上活跃在科研工作一线的青年科学家参加.华东师范大学精密光谱学国家重点实验室在原子、分子和光物理研究方面具有独特的优势，每年都吸引着不少国内外学者来此交流[46].2016年5月，以上海纽约大学牵头，纽约大学与华东西范大学联合召开了一次原子分子和光物理前沿发展国际研讨会，该研讨会邀请了国内外从事AMO物理学研究的知名专家，分享了AMO物理学研究领域的最新研究成果，增进了一流学者与专家之间的交流，同时也增强了不同研究方向的交叉融合.从2016年开始，由中国科学院大学、九院九所、武汉物理与数学研究所、山西大学、山西师范大学、山东师范大学、西华大学等单位牵头，分别在山西大学、北京应用物理研究所、陕西师范大学、绵阳九院等四个单位召开了四次由国内几个牵头单位的代表参加的原子分子光物理学术研讨会.参会规模由第一届的15人扩大到2018年第四届的150多人.该研讨会的举办为相关科研单位的AMO物理学科研交流提供了很好的平台，促进了原子、分子和光物理研究领域的发展.特别是对于一个交叉学科来说，这种交流对于科技创新发展显得更为重要！

3 结 语

当前，以数字化、网络化、智能化为标志的信息技术革命正深刻改变着当今世界的战略格局，深刻影响着人类生产和生活方式乃至思维方式.在这个大背景下，我国的AMO物理学研究也面临着一些挑战.具体表现在以激光技术的发展为代表的实验技术的进步伴随着新的实验现象的产生，迫切需要更加完善的理论进行相应解释[47]；在能源开发和材料设计等方面，不少新概念和新思想更需要有相应的实验去验证或实现[48,49]，这样才能在国际上的新高技术领域占领制高点；由于学科交叉及研究领域划分的局限性，某些本已解决的问题应及时交流或共享，以避免其成为相关领域继续深入研究的障碍[50]，等.总之，作为一个相互融合的研究领域，只有相互借鉴原子分子物理和光物理的最新研究成果，AMO物理学才能保持其活力.从这个意义上讲，AMO物理学研究如何与时俱进，是摆在每一个物理人面前的一个重要课题.

令广大科研人员倍感幸运的是，我们正处在世界科技革命迅猛发展的历史时期，同时也赶上了国家高度重视科技创新的好时代，从事原子分子物理与光物理等基础学科研究的人们也有了更加宽阔的工作平台，而原子分子物理与光物理的深入交叉融合无疑会为科技创新注入新的活力.为了更好地促进AMO物理学的融合发展，我国从事AMO物理学研究的专家学者都在时刻跟踪国际前沿，密切关注AMO物理学发展的热点问题并为问题解决付出了艰辛的努力，以期利用原子分子物理与光物理的思维碰撞产生新异的火花，力争有更多的创新成果出现，促进我国AMO物理学研究的进一步发展，从而为我国的国防和社会经济发展做出应有的贡献.