·當(dāng)人們能夠進(jìn)一步觀測或者操控電子運動的時候，就會逐漸發(fā)現(xiàn)人們已經(jīng)慢慢在嘗試開啟一個阿秒化學(xué)的時代。
·基礎(chǔ)研究需要的是靈活多變的思維、開闊的視野，不能在條條框框里跳舞，循規(guī)蹈矩出不了創(chuàng)新，但完全沒有邊界也不行，因為研究會走偏。
阿秒是非常小的時間單位，相當(dāng)于10的負(fù)18次方秒。借助阿秒光源，人們研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的視野正從原子分子層面拓展到亞原子尺度，從而直接觀測乃至操控電子的阿秒運動。“當(dāng)人們能夠進(jìn)一步觀測或者操控電子運動的時候，就會逐漸發(fā)現(xiàn)人們已經(jīng)慢慢在嘗試開啟一個阿秒化學(xué)的時代。”華東師范大學(xué)（下稱華師大）精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室研究員宮曉春日前在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）專訪時表示。
(資料圖片)
今年8月，宮曉春入選“上?？萍记嗄?5人引領(lǐng)計劃”獲獎名單，以表彰其建成國際首套阿秒團簇符合測量系統(tǒng)，創(chuàng)新性提出阿秒團簇尺寸分辨譜，填補從孤立原子、分子到復(fù)雜凝聚態(tài)電子阿秒動力學(xué)精密測量空白。
填補阿秒動力學(xué)精密測量空白
阿秒符合測量譜是阿秒超快光學(xué)中最先進(jìn)的度量學(xué)之一，其中的重要組成部分阿秒光脈沖自被提出后，便在原子、分子乃至凝聚態(tài)基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域掀起一次超快測量革命。
2001年，奧地利維也納技術(shù)大學(xué)費倫茨·克勞茲教授領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組首次獲得脈寬650阿秒激光，此后阿秒激光脈寬紀(jì)錄不斷被刷新。2017年11月，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）宣布成功將X射線激光器的脈沖持續(xù)時間縮短至43阿秒，創(chuàng)造激光脈沖持續(xù)時間最短的世界紀(jì)錄。
阿秒光源將人們研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的視野從分子拓展到原子內(nèi)部，有望以高速攝影的方式將物質(zhì)內(nèi)部原子尺度上的電子運動物理圖像以“慢動作”形式再現(xiàn)，從而人類能以極高的時間分辨能力揭示電子動力學(xué)特性，為物理、化學(xué)、生物、材料、信息等領(lǐng)域的發(fā)展提供全新研究手段和重要創(chuàng)新機遇。
宮曉春介紹，電子就像化學(xué)反應(yīng)或生命活動中的觸角，可以傳遞或轉(zhuǎn)移信息能量。“化學(xué)反應(yīng)或生命活動中，不同物質(zhì)接觸后最先相互作用的是電子。同樣的，光與物質(zhì)相互作用時，也是先與物質(zhì)內(nèi)部的電子相互作用，然后再傳遞各種各樣的信息。”例如水環(huán)境中的DNA的序列或基本單元在強光或高能輻射光輻照后，首先損傷的究竟是DNA還是水？初步研究證明，首先電離了水，水釋放出低能電子，與其它堿基共振，實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，打破氫鍵網(wǎng)絡(luò)，乃至損傷周圍的堿基單元。
傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，電子的電離過程是瞬時的，但隨著阿秒光脈沖技術(shù)的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)這一過程并非瞬時，電子需要數(shù)阿秒乃至數(shù)百阿秒的時間穿越原子或分子的電場。
團簇是介于原子、分子與宏觀固體物質(zhì)之間物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新層次，是各種物質(zhì)由原子、分子向大塊物質(zhì)轉(zhuǎn)變的過渡狀態(tài)。“以往研究的瓶頸在于研究人員主要采用紅外、拉曼、THz等光譜手段，觀測團簇里原子核的結(jié)構(gòu)和運動，時間分辨的光電子能譜存在極大的局限性。”而宮曉春在阿秒度量譜學(xué)方面設(shè)計建造了國際上首套阿秒團簇符合測量系統(tǒng)，通過阿秒團簇尺寸分辨譜，研究人員可在單分子空間尺度及阿秒時間尺度層面精確測量不同尺寸的水團簇在光電離時刻，電子與母體空穴空間離域性之間的相互作用，揭示水團簇體系結(jié)構(gòu)對稱性、無序度與電子局域離域演化相互作用的阿秒超快測量。
阿秒度量譜學(xué)有望引領(lǐng)進(jìn)一步探索阿秒光學(xué)及極端強場光物理方面的新奇現(xiàn)象與自然規(guī)律，實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)及復(fù)雜凝聚態(tài)體系電子超快動力學(xué)精密測量與調(diào)控。“我們同時也在不斷優(yōu)化改造先進(jìn)的極紫外阿秒光源及超高時間分辨的泵浦探測延遲線，基于這種高分辨的探測時鐘，可以進(jìn)一步探索超導(dǎo)、拓?fù)浣^緣體等特殊物態(tài)體系內(nèi)部的復(fù)雜電子動力學(xué)過程”，宮曉春說。
打破國外同行刻板印象
當(dāng)年從中國海洋大學(xué)光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)時，宮曉春并不清楚什么是科研，只一門心思對超快光學(xué)感興趣。2012年保研華師大，他選擇的博士導(dǎo)師吳健教授剛回到國內(nèi)正要搭建實驗室，宮曉春就這樣跟著導(dǎo)師研究電子離子符合測量，從起初單純接收知識、“撿了一堆寶”，到融會貫通，成為阿秒儀器系統(tǒng)的設(shè)計者。
2017年博士畢業(yè)后，宮曉春獲得留校資格，研究阿秒超快光學(xué)，但感到工作有些吃力，仍需學(xué)習(xí)新知識。2018年，他在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院物理化學(xué)系訪問學(xué)習(xí)。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院物理化學(xué)實驗室教授H. J. Wrner擅長阿秒光譜測量，宮曉春博士期間學(xué)習(xí)的是電子離子符合測量，雙方優(yōu)勢互補，探索新的研究：阿秒符合測量技術(shù)。
合作的第一步是搭建實驗室，宮曉春需要開發(fā)阿秒團簇符合測量系統(tǒng)。這期間宮曉春只管每天泡在實驗室埋頭苦干，“搭建實驗室既能充分發(fā)揮我以前所學(xué)的內(nèi)容，又是學(xué)習(xí)和培養(yǎng)各項新技能的最好時機。”結(jié)果宮曉春“火力全開”，不到一年時間就設(shè)計建造出這套系統(tǒng)。當(dāng)他看到了水團簇，測到了阿秒電子過程，實驗室里的博士生以及工程技術(shù)人員都感到不可思議。
那年圣誕節(jié)后，當(dāng)宮曉春即將離開蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院時，實驗室里的電子工程師對他說，“一開始我覺得你會跟以前在這個實驗室的大多數(shù)人一樣，沒想到你把實驗室弄好了，儀器還測量出非常漂亮的結(jié)果。”對方承諾以后只要宮曉春有需求，都會全力支持。
2019年，宮曉春回國后，這套阿秒團簇符合測量系統(tǒng)仍在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的實驗室穩(wěn)定運行，供國內(nèi)外研究人員和新學(xué)生做實驗、測數(shù)據(jù)，開展阿秒超快光電子研究，共同推動阿秒超快光學(xué)的學(xué)科發(fā)展。
創(chuàng)新不能在條條框框里跳舞
從蘇黎世回國后，宮曉春在華師大精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室深入優(yōu)化升級改造了阿秒團簇符合測量系統(tǒng)。當(dāng)被問及在阿秒度量譜學(xué)研究領(lǐng)域取得的成績是偶然還是必然時，他回答：在研究中，一定要不斷琢磨、創(chuàng)新，“當(dāng)你找到那條主線了之后，就知道怎么做了。”
宮曉春讀博士時便研究電子測量，觀測原子核運動，“當(dāng)時還沒有阿秒脈沖手段，并不清楚電子譜時頻特征及其背后的物理機制，雖然知道電子是一種阿秒運動，卻沒有辦法開展實時觀測。”在阿秒光電離的研究過程中，他一直想琢磨明白電子的干涉機制，直到博士畢業(yè)前夕，他才找到突破口，“在不斷數(shù)據(jù)分析、不斷琢磨過程中，問題有了答案。”讀博士期間，知識密集度高，宮曉春學(xué)得也快，多次在《物理評論快報》發(fā)表學(xué)術(shù)論文，拿到了實驗室、學(xué)校、光學(xué)學(xué)會的獎勵資助。過去幾年少有學(xué)術(shù)論文發(fā)表時，他也沒有虛度時光，而是不斷打磨自己，補充學(xué)習(xí)實驗和理論方面的不足。
在蘇黎世做博士后，他覺得如果只是跟著別人的工作開展研究，沒有太大意義，必須有所創(chuàng)新，于是著手設(shè)計建造阿秒團簇符合測量系統(tǒng)。當(dāng)回國再建時，他又想著一定要有進(jìn)一步的突破，探索孤立阿秒脈沖等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，研究更復(fù)雜艱深的科學(xué)問題。
宮曉春說，基礎(chǔ)研究需要的是靈活多變的思維、開闊的視野，“不能在條條框框里跳舞，循規(guī)蹈矩出不了創(chuàng)新，但完全沒有邊界也不行，因為研究會走偏。”
有了靈活的思維和自信，還要有明確的科研目標(biāo)和科學(xué)的品位，“當(dāng)你有足夠的能力支撐去做這件事情，最終呈現(xiàn)出來的狀態(tài)就是非常有創(chuàng)造力的。”他也表示，科學(xué)不以個人意志為轉(zhuǎn)移，科研要以科學(xué)的態(tài)度對待科學(xué)問題，要有誠信。
目前，宮曉春正基于阿秒團簇符合測量系統(tǒng)研制原子分波干涉計，發(fā)展一種原子分波干涉的方法，分辨每個電子的成分，觀測一個原子態(tài)里各個組份光電離過程中的時頻特性和相互關(guān)聯(lián)。他希望能有更多機會探求先進(jìn)科學(xué)儀器設(shè)計新思路，實現(xiàn)超快物理研究的新突破，挑戰(zhàn)超快物理測量極限及其在阿秒超快科學(xué)領(lǐng)域的拓展及應(yīng)用。在超短的時間尺度及超高的空間分辨尺度，展示光與物質(zhì)相互作用過程中，微觀量子物理世界的非平衡動力學(xué)面貌，尋求物性測量與調(diào)控的極限。同時不斷凝練核心關(guān)鍵技術(shù)，形成規(guī)范化、模塊化的科學(xué)儀器，拓展多學(xué)科交叉融合的風(fēng)向。“就像楊振寧先生說的，要有自己的小確幸。什么東西更高級，什么東西更有意義，什么東西在你看來更喜歡，你更希望與它站在一起，就像向日葵喜歡追著太陽，草總喜歡往天上長一樣，可能這就是品位。”
標(biāo)簽： 物理測量
