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探路光學(xué)世界 勇攀創(chuàng)新高峰
——記復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授陶鎮(zhèn)生
2024-04-01
自古以來(lái)，人類對(duì)于客觀世界的認(rèn)知，首先依賴于人類身體的感覺(jué)器官對(duì)世界的感知，而認(rèn)知的絕大部分來(lái)自視覺(jué)。從某種意義上來(lái)說(shuō)，光便是我們體驗(yàn)這個(gè)世界的基礎(chǔ)。千百年來(lái)，人類也一直在尋找一種能夠更好對(duì)光展開(kāi)利用的方式。
▲陶鎮(zhèn)生
20世紀(jì)60年代，激光器的發(fā)明使光學(xué)領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。激光，被形象地稱為“最亮的光”“最準(zhǔn)的尺”“最快的刀”。相較于普通光源，它具有更好的相干性與偏振度，同時(shí)具有單色性、方向性好、亮度更高等特點(diǎn)。利用激光人們可以有目的地控制光和物質(zhì)的相互作用過(guò)程。在此之后，超快激光的誕生，更加引領(lǐng)了激光在超強(qiáng)、頻率擴(kuò)展、相干合成等方面的發(fā)展。在這一科研成果的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們通過(guò)不斷開(kāi)拓，創(chuàng)造了超快激光的飛秒時(shí)代。這種光源極具特殊性，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生一些在日常生活中無(wú)法產(chǎn)生的物態(tài)。而如何利用超快光場(chǎng)的相關(guān)特點(diǎn)進(jìn)行物理探測(cè)、物態(tài)調(diào)控，便是復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授陶鎮(zhèn)生多年來(lái)科研攻關(guān)的重點(diǎn)。
為者常成，行者常至。在追“光”的道路上，陶鎮(zhèn)生始終是一個(gè)求真務(wù)實(shí)的探索者。
興趣為馬，開(kāi)啟科學(xué)的大門
愛(ài)因斯坦曾說(shuō)過(guò)：“好奇心是科學(xué)工作者產(chǎn)生無(wú)窮毅力和耐心的源泉。”從小，陶鎮(zhèn)生對(duì)于自然界的事物就有著強(qiáng)烈的好奇心，對(duì)于相關(guān)現(xiàn)象背后的本質(zhì)規(guī)律也有著極大的探索欲望。判天地之美，析萬(wàn)物之理。物理給陶鎮(zhèn)生認(rèn)識(shí)這個(gè)世界打開(kāi)了一扇新的窗口。
以興趣為馬，陶鎮(zhèn)生通過(guò)不懈努力，最終在高考時(shí)以優(yōu)異的成績(jī)順利考入復(fù)旦大學(xué)物理系，自此開(kāi)始了全新的人生逐夢(mèng)之旅。在大學(xué)4年的時(shí)間里，他學(xué)習(xí)到了更加豐富的物理領(lǐng)域知識(shí)，科學(xué)的種子逐漸開(kāi)始在他的心中萌芽。研究生階段，陶鎮(zhèn)生開(kāi)始真正接觸到光學(xué)領(lǐng)域的科研工作。深入這一領(lǐng)域之后，他逐漸發(fā)現(xiàn)光學(xué)領(lǐng)域的科研成果在光學(xué)儀器、通信、醫(yī)學(xué)、生物、納米制造、材料等領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。這些發(fā)現(xiàn)，讓他感到異常的興奮，深入光學(xué)領(lǐng)域開(kāi)展科研探索的決心也愈加強(qiáng)烈。
研究生階段，陶鎮(zhèn)生主要圍繞“半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)光特性”這一課題展開(kāi)探索，在導(dǎo)師陸昉教授的指導(dǎo)下，他親手搭建了一套低溫?zé)晒馓綔y(cè)裝置，這也是他從事科研工作以來(lái)搭建的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。至今，他仍清晰地記得實(shí)驗(yàn)裝置搭建完成時(shí)自己興奮的心情。“當(dāng)我看到通過(guò)自己搭建的實(shí)驗(yàn)裝置得到的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一點(diǎn)點(diǎn)去理解量子點(diǎn)的熒光是怎樣產(chǎn)生的，這由衷地讓我感覺(jué)到物理實(shí)驗(yàn)和物理研究的魅力。”陶鎮(zhèn)生說(shuō)。
因?yàn)檠芯可A段的課題涉及很多凝聚態(tài)光和物質(zhì)的相互作用研究，陶鎮(zhèn)生對(duì)這一方向產(chǎn)生了濃厚的科研興趣。為了進(jìn)一步開(kāi)展探索，他決心“走出去”接觸更多這一領(lǐng)域的學(xué)術(shù)前沿。在理想的驅(qū)使下，陶鎮(zhèn)生漂洋過(guò)海，來(lái)到了美國(guó)密歇根州立大學(xué)物理及天文系攻讀博士學(xué)位，并在這一階段對(duì)自己的研究方向進(jìn)行了拓展。
這一時(shí)期，陶鎮(zhèn)生開(kāi)始應(yīng)用超快電子衍射技術(shù)研究凝聚態(tài)材料在激光激發(fā)下的超快結(jié)構(gòu)相變過(guò)程，在這一領(lǐng)域積累了豐富的科研經(jīng)驗(yàn)，也讓他對(duì)研究有了全新的思考。他發(fā)現(xiàn)：因?yàn)楣夂臀镔|(zhì)相互作用往往率先發(fā)生的是光子對(duì)物質(zhì)中電子態(tài)的激發(fā)，而利用超快電子束去探索光激發(fā)材料后的晶體結(jié)構(gòu)變化比較片面，不能全面理解凝聚態(tài)材料在光激發(fā)之后的變化。而為了更加全面地了解這一變化，博士畢業(yè)后，陶鎮(zhèn)生選擇進(jìn)入科羅拉多大學(xué)博德分校進(jìn)行博士后研究。在那里，他師從于阿秒物理領(lǐng)域著名專家瑪格麗特·穆楠（Margaret Murnane）和亨利·卡普坦（Henry Kapteyn）教授，主攻凝聚態(tài)材料電子態(tài)阿秒動(dòng)力學(xué)研究。這一時(shí)期，他的科研方向有了更大的拓寬，研究?jī)?nèi)容也更具豐富性，這一切都為他今后的科研之路奠定了全新的基礎(chǔ)。
求學(xué)海外，滿載收獲的創(chuàng)新之旅
履歷上的一連串閃光點(diǎn)，記錄著陶鎮(zhèn)生在科學(xué)研究道路上留下的足跡。不管身在何處，他從未忘卻自己開(kāi)展科研創(chuàng)新的初心。“雖然碩士、博士學(xué)習(xí)及博士后研究階段我的研究方向都不太一樣，但是所有的研究都是圍繞著超快光和物質(zhì)相互作用這一領(lǐng)域而展開(kāi)的。”陶鎮(zhèn)生說(shuō)。他很慶幸，在每一個(gè)研究方向上，都能得到領(lǐng)域內(nèi)名師的指點(diǎn)，接觸到最先進(jìn)的科研設(shè)備，而這些通過(guò)自己親身經(jīng)歷得到的科研經(jīng)驗(yàn)，便是陶鎮(zhèn)生人生之路最寶貴的財(cái)富。
近年來(lái)，超快光學(xué)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，有許多新的非平衡態(tài)下的奇異現(xiàn)象被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。但是，由于這些現(xiàn)象的非平衡態(tài)的復(fù)雜本質(zhì)，對(duì)相關(guān)現(xiàn)象的理論解釋通常非常困難。并且，在對(duì)超快非平衡態(tài)過(guò)程的理解中，物質(zhì)平衡態(tài)下的性質(zhì)也往往被忽略了。長(zhǎng)期以來(lái)，平衡態(tài)下凝聚態(tài)材料的性質(zhì)對(duì)于解釋材料超快電子和自旋動(dòng)力學(xué)過(guò)程具有十分重要的指導(dǎo)意義。而這一領(lǐng)域，便是陶鎮(zhèn)生及其科研團(tuán)隊(duì)多年來(lái)主攻的科研方向。
鎳是一種鐵磁性金屬元素，具有耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、延展性好等優(yōu)良性能，廣泛用于冶金、化工、航空航天等領(lǐng)域，是制備不銹鋼、高溫合金、動(dòng)力電池等材料的重要原材料，屬于關(guān)鍵戰(zhàn)略金屬資源。至今陶鎮(zhèn)生仍記得自己做的最有成就感的一項(xiàng)工作，就是在博士后階段后期研究的鐵磁金屬鎳在激光激發(fā)下的飛秒退磁過(guò)程。
在這一研究中，陶鎮(zhèn)生和團(tuán)隊(duì)利用超快角分辨電子能譜的方式進(jìn)行了兩方面探測(cè)，一是探測(cè)與鎳鐵磁性質(zhì)相關(guān)的能帶變化，另一方面探測(cè)電子溫度的變化。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)研究，他們成功發(fā)現(xiàn)了特定激光功率以上的緩慢回復(fù)動(dòng)力學(xué)和比熱容發(fā)散兩個(gè)臨界現(xiàn)象，以及小于25飛秒的能量由電子體系流入自旋體系的超快過(guò)程。這項(xiàng)研究第一次證明了鐵磁金屬鎳的退磁過(guò)程是一個(gè)非平衡態(tài)下的超快相變過(guò)程，并與平衡態(tài)下相變建立了熱力學(xué)上的聯(lián)系。除此之外，他們還利用超快泵浦探測(cè)了不同自由度演化過(guò)程的分離，對(duì)材料磁學(xué)性質(zhì)提出了新的理解。
在這一研究工作的基礎(chǔ)上，陶鎮(zhèn)生和團(tuán)隊(duì)又開(kāi)始了進(jìn)一步科研開(kāi)拓。這一次他們將研究的關(guān)注點(diǎn)放在高次諧波阿秒脈沖序列與角分辨電子能譜的結(jié)合研究上，進(jìn)一步探測(cè)從金屬鎳表面光電子發(fā)射的阿秒時(shí)間動(dòng)力學(xué)。
眾所周知，阿秒是一個(gè)比飛秒還要短3個(gè)量級(jí)的時(shí)間尺度，1阿秒等于10-18秒。到底有多短呢？1秒中光傳播的距離可以繞地球7.5圈，而1阿秒中光只能從水分子的一端傳播到另一端。而阿秒脈沖的產(chǎn)生機(jī)理來(lái)自超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)極端非線性作用中的高次諧波產(chǎn)生過(guò)程，高次諧波在時(shí)域表現(xiàn)為間距半個(gè)光周期的阿秒脈沖序列。
角分辨光電子能譜是研究材料電子結(jié)構(gòu)的最直接和最有力的手段之一。它在固體材料（比如拓?fù)洳牧稀⒍S材料、高溫超導(dǎo)體、重費(fèi)米子材料等）的電子結(jié)構(gòu)研究中被廣泛應(yīng)用，能夠?yàn)橄嚓P(guān)物理研究提供許多關(guān)鍵信息。
通過(guò)高次諧波阿秒脈沖序列與角分辨光電子能譜的結(jié)合，陶鎮(zhèn)生團(tuán)隊(duì)第一次用實(shí)驗(yàn)證明了材料的高能非占據(jù)態(tài)對(duì)于電子阿秒運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵影響。同時(shí)，他們還觀測(cè)到阿秒發(fā)射時(shí)間和電子發(fā)射角度的依賴關(guān)系，進(jìn)一步證明了能帶色散對(duì)阿秒電子動(dòng)力學(xué)測(cè)量的影響。“我們所做的這項(xiàng)研究工作，最大的貢獻(xiàn)就是證明了阿秒電子動(dòng)力學(xué)測(cè)量與金屬能帶之間的關(guān)聯(lián)性，在此之前也有人做過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)，得到過(guò)相關(guān)的結(jié)論，但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不是很準(zhǔn)確，而我們所做的工作在當(dāng)時(shí)是最準(zhǔn)確的一個(gè)結(jié)果。”陶鎮(zhèn)生說(shuō)。
功不唐捐，玉汝于成。令陶鎮(zhèn)生驕傲的是，他和研究團(tuán)隊(duì)所取得的這些研究結(jié)果成功證明了材料平衡態(tài)下性質(zhì)對(duì)于理解超快非平衡態(tài)演化的重要性。同時(shí)，超快測(cè)量也為理解凝聚態(tài)物理提供了新的工具。這一切都為他們后續(xù)工作開(kāi)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
不忘初心，回國(guó)開(kāi)啟追光之旅
2017年是陶鎮(zhèn)生科研人生的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。那一年，他受國(guó)內(nèi)多所高校的邀請(qǐng)，回國(guó)進(jìn)行訪問(wèn)交流。這次科研交流，讓陶鎮(zhèn)生對(duì)國(guó)內(nèi)的科研環(huán)境有了全新的認(rèn)識(shí)，并深刻地感受到國(guó)內(nèi)高校這幾年在科研水平方面的巨大提升。在這一背景下，陶鎮(zhèn)生回國(guó)的想法也愈加強(qiáng)烈。“當(dāng)時(shí)我就感覺(jué)到這是一個(gè)非常好的契機(jī)，可以回國(guó)做一些自己想做的科研工作。”他說(shuō)。
2018年，陶鎮(zhèn)生成功入選國(guó)家級(jí)高層次人才計(jì)劃和上海市“東方學(xué)者”計(jì)劃，來(lái)到復(fù)旦大學(xué)物理系擔(dān)任研究員、博士生導(dǎo)師。復(fù)旦大學(xué)十分支持青年科研人才的成長(zhǎng)，給科研工作者創(chuàng)造了良好的科研環(huán)境，提供了先進(jìn)的科研設(shè)備，這一切給了陶鎮(zhèn)生開(kāi)展科研創(chuàng)新更大的底氣。回國(guó)后，他對(duì)過(guò)往科研工作進(jìn)行復(fù)盤(pán)，將主要研究方向放在用實(shí)驗(yàn)室尺度強(qiáng)場(chǎng)飛秒激光產(chǎn)生太赫茲、深紫外及軟X射線激光，通過(guò)不同波段光譜學(xué)方法研究固體材料在超快激光激發(fā)下的非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并取得一系列科研進(jìn)展。
太赫茲輻射是一種介于紅外和微波波段的電磁波，在安全檢測(cè)、無(wú)線通信和生物分子檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用前景。產(chǎn)生和操縱寬帶手性太赫茲波的能力，對(duì)太赫茲波在材料成像、太赫茲傳感和醫(yī)療診斷方面的應(yīng)用有著至關(guān)重要的作用。
2021年年底，陶鎮(zhèn)生所在的復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)不懈攻關(guān)，成功提出并開(kāi)發(fā)了一種新型的自旋電子-超表面太赫茲發(fā)射器，能夠以一種高效和高度靈活的方式產(chǎn)生和操縱手性太赫茲波。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)光子學(xué)》雜志上。“這項(xiàng)工作結(jié)合了超快光學(xué)、自旋電子學(xué)和超構(gòu)表面技術(shù)，為高效產(chǎn)生和控制太赫茲波開(kāi)辟了一條新途徑。將超寬帶、高效自旋電子學(xué)太赫茲發(fā)射器和具有預(yù)先設(shè)計(jì)功能的超表面相結(jié)合，可以產(chǎn)生更多類型的太赫茲發(fā)射器件，用于產(chǎn)生不同的時(shí)空太赫茲波形。”陶鎮(zhèn)生說(shuō)。
不積跬步，無(wú)以至千里。在之前科研成果的基礎(chǔ)上，陶鎮(zhèn)生團(tuán)隊(duì)拾級(jí)而上——又基于自旋電子學(xué)-超構(gòu)表面技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型的多功能調(diào)控的寬譜太赫茲光源，并成功證明了寬譜圓偏振太赫茲輻射的產(chǎn)生，以及對(duì)其偏振狀態(tài)和發(fā)射波前具有靈活調(diào)控能力。值得一提的是，這一方法有望實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜的太赫茲光場(chǎng)產(chǎn)生與調(diào)控，包括太赫茲渦旋場(chǎng)、超環(huán)形場(chǎng)等。相關(guān)研究成果發(fā)表在《納米快報(bào)》（Nano Letters）上。
▲團(tuán)隊(duì)合影
陶鎮(zhèn)生團(tuán)隊(duì)之前的科研工作不僅很大程度解決了圓偏振太赫茲光產(chǎn)生與手性調(diào)節(jié)的技術(shù)復(fù)雜性問(wèn)題，也為他開(kāi)辟了新的科研方向。
2023年，陶鎮(zhèn)生成功申請(qǐng)了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“應(yīng)用時(shí)間分辨太赫茲圓二色光譜學(xué)方法探索手性聲子的物理特性及瞬態(tài)光激發(fā)行為”。在這一項(xiàng)目中，他和團(tuán)隊(duì)提出應(yīng)用時(shí)間分辨太赫茲圓二色光譜學(xué)方法探測(cè)凝聚態(tài)材料中聲子的手性特征及其瞬態(tài)光激發(fā)行為，以更好地豐富凝聚態(tài)材料的調(diào)控手段，拓展對(duì)凝聚態(tài)理論的理解。值得一提的是，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有這方面技術(shù)發(fā)展和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的報(bào)道，陶鎮(zhèn)生團(tuán)隊(duì)的工作尚屬首創(chuàng)。
無(wú)懼挑戰(zhàn)，緊跟前沿的創(chuàng)新之路
青衿之志，履踐致遠(yuǎn)。回首以往的科研之路，每走一步，都是一個(gè)全新的嘗試。因?yàn)橄噍^于其他科研領(lǐng)域而言，超快光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展尚未完全成熟，當(dāng)科學(xué)家在發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，經(jīng)常缺乏可以借鑒的科研經(jīng)驗(yàn)，因此如何對(duì)相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行理解便成為十分困難的問(wèn)題，進(jìn)而很多研究工作開(kāi)展得不是很順利。“最近，我們?cè)谘芯侩娮釉谀蹜B(tài)材料中的運(yùn)動(dòng)行為，其中就涉及弗洛凱態(tài)退相干的物理機(jī)制，相關(guān)工作我們就做了將近兩年的時(shí)間。”陶鎮(zhèn)生說(shuō)。他承認(rèn)，在科研探索的過(guò)程中是需要一些運(yùn)氣的。但運(yùn)氣之外，他認(rèn)為科研工作者身上具備腳踏實(shí)地攻關(guān)、不懼困難挑戰(zhàn)的精神更加重要。
一路走來(lái)，陶鎮(zhèn)生十分感謝教育他、培養(yǎng)他的導(dǎo)師們。在他們的身上，他學(xué)習(xí)到了如何成為一名更加包容的科研工作者，更體會(huì)到了身為一名師者的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。如今，作為一名研究生導(dǎo)師，他目前也承擔(dān)著課題組學(xué)生的培養(yǎng)工作，并在多年的教學(xué)實(shí)踐中形成了一套屬于自己的人才培養(yǎng)模式。相較于一板一眼地教學(xué)，陶鎮(zhèn)生更加崇尚從學(xué)生的興趣出發(fā)，培養(yǎng)他們的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。從教以來(lái)，他所領(lǐng)導(dǎo)的課題組，每周都會(huì)舉辦一場(chǎng)文獻(xiàn)組會(huì)，讓學(xué)生們將自己近期看到的感興趣的論文進(jìn)行分享，讓他們從自己的興趣點(diǎn)出發(fā)，更好地開(kāi)展自主科研工作。
征途漫漫，唯有奮斗。在陶鎮(zhèn)生看來(lái)，在超快光學(xué)研究領(lǐng)域中，光源仍是一個(gè)十分重要的工具，它的發(fā)展決定了領(lǐng)域內(nèi)后續(xù)相關(guān)探索性研究的開(kāi)展。未來(lái)，在研究光與物質(zhì)相互作用（特別是強(qiáng)光場(chǎng)條件下）的超快物理過(guò)程的基礎(chǔ)上，他還將與校內(nèi)外理論和實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)保持密切的合作，將自己的研究向光源等方面進(jìn)行拓展，比如強(qiáng)太赫茲源和高亮度高次諧波光源等。
眼里有光，自向遠(yuǎn)方。以初心為伴，陶鎮(zhèn)生還將步履不停前行在這條科研追光的道路上。
來(lái)源：科學(xué)中國(guó)人 2024年第3期
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