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陶镇生 | 探路光学世界 勇攀创新高峰

科学中国人
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自古以来,人类对于客观世界的认知,首先依赖于人类身体的感觉器官对世界的感知,而认知的绝大部分来自视觉。从某种意义上来说,光便是我们体验这个世界的基础。千百年来,人类也一直在寻找一种能够更好对光展开利用的方式。

▲陶镇生

20世纪60年代,激光器的发明使光学领域发生了翻天覆地的变化。激光,被形象地称为“最亮的光”“最准的尺”“最快的刀”。相较于普通光源,它具有更好的相干性与偏振度,同时具有单色性、方向性好、亮度更高等特点。利用激光人们可以有目的地控制光和物质的相互作用过程。在此之后,超快激光的诞生,更加引领了激光在超强、频率扩展、相干合成等方面的发展。在这一科研成果的基础上,科学家们通过不断开拓,创造了超快激光的飞秒时代。这种光源极具特殊性,可以通过实验产生一些在日常生活中无法产生的物态。而如何利用超快光场的相关特点进行物理探测、物态调控,便是复旦大学物理学系教授陶镇生多年来科研攻关的重点。

为者常成,行者常至。在追“光”的道路上,陶镇生始终是一个求真务实的探索者。

兴趣为马,开启科学的大门

爱因斯坦曾说过:“好奇心是科学工作者产生无穷毅力和耐心的源泉。”从小,陶镇生对于自然界的事物就有着强烈的好奇心,对于相关现象背后的本质规律也有着极大的探索欲望。判天地之美,析万物之理。物理给陶镇生认识这个世界打开了一扇新的窗口。

以兴趣为马,陶镇生通过不懈努力,最终在高考时以优异的成绩顺利考入复旦大学物理系,自此开始了全新的人生逐梦之旅。在大学4年的时间里,他学习到了更加丰富的物理领域知识,科学的种子逐渐开始在他的心中萌芽。研究生阶段,陶镇生开始真正接触到光学领域的科研工作。深入这一领域之后,他逐渐发现光学领域的科研成果在光学仪器、通信、医学、生物、纳米制造、材料等领域有着极为广阔的应用前景。这些发现,让他感到异常的兴奋,深入光学领域开展科研探索的决心也愈加强烈。

研究生阶段,陶镇生主要围绕“半导体量子点的发光特性”这一课题展开探索,在导师陆昉教授的指导下,他亲手搭建了一套低温荧光探测装置,这也是他从事科研工作以来搭建的第一个实验装置。至今,他仍清晰地记得实验装置搭建完成时自己兴奋的心情。“当我看到通过自己搭建的实验装置得到的一系列实验结果,然后通过实验数据一点点去理解量子点的荧光是怎样产生的,这由衷地让我感觉到物理实验和物理研究的魅力。”陶镇生说。

因为研究生阶段的课题涉及很多凝聚态光和物质的相互作用研究,陶镇生对这一方向产生了浓厚的科研兴趣。为了进一步开展探索,他决心“走出去”接触更多这一领域的学术前沿。在理想的驱使下,陶镇生漂洋过海,来到了美国密歇根州立大学物理及天文系攻读博士学位,并在这一阶段对自己的研究方向进行了拓展。

这一时期,陶镇生开始应用超快电子衍射技术研究凝聚态材料在激光激发下的超快结构相变过程,在这一领域积累了丰富的科研经验,也让他对研究有了全新的思考。他发现:因为光和物质相互作用往往率先发生的是光子对物质中电子态的激发,而利用超快电子束去探索光激发材料后的晶体结构变化比较片面,不能全面理解凝聚态材料在光激发之后的变化。而为了更加全面地了解这一变化,博士毕业后,陶镇生选择进入科罗拉多大学博德分校进行博士后研究。在那里,他师从于阿秒物理领域著名专家玛格丽特·穆楠(Margaret Murnane)和亨利·卡普坦(Henry Kapteyn)教授,主攻凝聚态材料电子态阿秒动力学研究。这一时期,他的科研方向有了更大的拓宽,研究内容也更具丰富性,这一切都为他今后的科研之路奠定了全新的基础。

求学海外,满载收获的创新之旅

履历上的一连串闪光点,记录着陶镇生在科学研究道路上留下的足迹。不管身在何处,他从未忘却自己开展科研创新的初心。“虽然硕士、博士学习及博士后研究阶段我的研究方向都不太一样,但是所有的研究都是围绕着超快光和物质相互作用这一领域而展开的。”陶镇生说。他很庆幸,在每一个研究方向上,都能得到领域内名师的指点,接触到最先进的科研设备,而这些通过自己亲身经历得到的科研经验,便是陶镇生人生之路最宝贵的财富。

近年来,超快光学技术得到了飞速发展,有许多新的非平衡态下的奇异现象被实验发现。但是,由于这些现象的非平衡态的复杂本质,对相关现象的理论解释通常非常困难。并且,在对超快非平衡态过程的理解中,物质平衡态下的性质也往往被忽略了。长期以来,平衡态下凝聚态材料的性质对于解释材料超快电子和自旋动力学过程具有十分重要的指导意义。而这一领域,便是陶镇生及其科研团队多年来主攻的科研方向。

镍是一种铁磁性金属元素,具有耐腐蚀、耐高温、抗氧化、延展性好等优良性能,广泛用于冶金、化工、航空航天等领域,是制备不锈钢、高温合金、动力电池等材料的重要原材料,属于关键战略金属资源。至今陶镇生仍记得自己做的最有成就感的一项工作,就是在博士后阶段后期研究的铁磁金属镍在激光激发下的飞秒退磁过程。

在这一研究中,陶镇生和团队利用超快角分辨电子能谱的方式进行了两方面探测,一是探测与镍铁磁性质相关的能带变化,另一方面探测电子温度的变化。通过一系列实验研究,他们成功发现了特定激光功率以上的缓慢回复动力学和比热容发散两个临界现象,以及小于25飞秒的能量由电子体系流入自旋体系的超快过程。这项研究第一次证明了铁磁金属镍的退磁过程是一个非平衡态下的超快相变过程,并与平衡态下相变建立了热力学上的联系。除此之外,他们还利用超快泵浦探测了不同自由度演化过程的分离,对材料磁学性质提出了新的理解。

在这一研究工作的基础上,陶镇生和团队又开始了进一步科研开拓。这一次他们将研究的关注点放在高次谐波阿秒脉冲序列与角分辨电子能谱的结合研究上,进一步探测从金属镍表面光电子发射的阿秒时间动力学。

众所周知,阿秒是一个比飞秒还要短3个量级的时间尺度,1阿秒等于10-18秒。到底有多短呢?1秒中光传播的距离可以绕地球7.5圈,而1阿秒中光只能从水分子的一端传播到另一端。而阿秒脉冲的产生机理来自超短超强激光与物质极端非线性作用中的高次谐波产生过程,高次谐波在时域表现为间距半个光周期的阿秒脉冲序列。

角分辨光电子能谱是研究材料电子结构的最直接和最有力的手段之一。它在固体材料(比如拓扑材料、二维材料、高温超导体、重费米子材料等)的电子结构研究中被广泛应用,能够为相关物理研究提供许多关键信息。

通过高次谐波阿秒脉冲序列与角分辨光电子能谱的结合,陶镇生团队第一次用实验证明了材料的高能非占据态对于电子阿秒运动的关键影响。同时,他们还观测到阿秒发射时间和电子发射角度的依赖关系,进一步证明了能带色散对阿秒电子动力学测量的影响。“我们所做的这项研究工作,最大的贡献就是证明了阿秒电子动力学测量与金属能带之间的关联性,在此之前也有人做过类似的实验,得到过相关的结论,但是实验数据不是很准确,而我们所做的工作在当时是最准确的一个结果。”陶镇生说。

功不唐捐,玉汝于成。令陶镇生骄傲的是,他和研究团队所取得的这些研究结果成功证明了材料平衡态下性质对于理解超快非平衡态演化的重要性。同时,超快测量也为理解凝聚态物理提供了新的工具。这一切都为他们后续工作开展奠定了坚实的基础。

不忘初心,回国开启追光之旅

2017年是陶镇生科研人生的转折点。那一年,他受国内多所高校的邀请,回国进行访问交流。这次科研交流,让陶镇生对国内的科研环境有了全新的认识,并深刻地感受到国内高校这几年在科研水平方面的巨大提升。在这一背景下,陶镇生回国的想法也愈加强烈。“当时我就感觉到这是一个非常好的契机,可以回国做一些自己想做的科研工作。”他说。

2018年,陶镇生成功入选国家级高层次人才计划和上海市“东方学者”计划,来到复旦大学物理系担任研究员、博士生导师。复旦大学十分支持青年科研人才的成长,给科研工作者创造了良好的科研环境,提供了先进的科研设备,这一切给了陶镇生开展科研创新更大的底气。回国后,他对过往科研工作进行复盘,将主要研究方向放在用实验室尺度强场飞秒激光产生太赫兹、深紫外及软X射线激光,通过不同波段光谱学方法研究固体材料在超快激光激发下的非平衡态动力学过程,并取得一系列科研进展。

太赫兹辐射是一种介于红外和微波波段的电磁波,在安全检测、无线通信和生物分子检测等技术领域具有巨大应用前景。产生和操纵宽带手性太赫兹波的能力,对太赫兹波在材料成像、太赫兹传感和医疗诊断方面的应用有着至关重要的作用。

2021年年底,陶镇生所在的复旦大学研究团队通过不懈攻关,成功提出并开发了一种新型的自旋电子-超表面太赫兹发射器,能够以一种高效和高度灵活的方式产生和操纵手性太赫兹波。相关研究成果发表在《先进光子学》杂志上。“这项工作结合了超快光学、自旋电子学和超构表面技术,为高效产生和控制太赫兹波开辟了一条新途径。将超宽带、高效自旋电子学太赫兹发射器和具有预先设计功能的超表面相结合,可以产生更多类型的太赫兹发射器件,用于产生不同的时空太赫兹波形。”陶镇生说。

不积跬步,无以至千里。在之前科研成果的基础上,陶镇生团队拾级而上——又基于自旋电子学-超构表面技术设计了一种新型的多功能调控的宽谱太赫兹光源,并成功证明了宽谱圆偏振太赫兹辐射的产生,以及对其偏振状态和发射波前具有灵活调控能力。值得一提的是,这一方法有望实现更多复杂的太赫兹光场产生与调控,包括太赫兹涡旋场、超环形场等。相关研究成果发表在《纳米快报》(Nano Letters)上。

▲团队合影

陶镇生团队之前的科研工作不仅很大程度解决了圆偏振太赫兹光产生与手性调节的技术复杂性问题,也为他开辟了新的科研方向。

2023年,陶镇生成功申请了国家自然科学基金项目“应用时间分辨太赫兹圆二色光谱学方法探索手性声子的物理特性及瞬态光激发行为”。在这一项目中,他和团队提出应用时间分辨太赫兹圆二色光谱学方法探测凝聚态材料中声子的手性特征及其瞬态光激发行为,以更好地丰富凝聚态材料的调控手段,拓展对凝聚态理论的理解。值得一提的是,目前国内外还没有这方面技术发展和实验结果的报道,陶镇生团队的工作尚属首创。

无惧挑战,紧跟前沿的创新之路

青衿之志,履践致远。回首以往的科研之路,每走一步,都是一个全新的尝试。因为相较于其他科研领域而言,超快光学领域的发展尚未完全成熟,当科学家在发现一个新的实验现象时,经常缺乏可以借鉴的科研经验,因此如何对相关现象进行理解便成为十分困难的问题,进而很多研究工作开展得不是很顺利。“最近,我们在研究电子在凝聚态材料中的运动行为,其中就涉及弗洛凯态退相干的物理机制,相关工作我们就做了将近两年的时间。”陶镇生说。他承认,在科研探索的过程中是需要一些运气的。但运气之外,他认为科研工作者身上具备脚踏实地攻关、不惧困难挑战的精神更加重要。

一路走来,陶镇生十分感谢教育他、培养他的导师们。在他们的身上,他学习到了如何成为一名更加包容的科研工作者,更体会到了身为一名师者的责任与担当。如今,作为一名研究生导师,他目前也承担着课题组学生的培养工作,并在多年的教学实践中形成了一套属于自己的人才培养模式。相较于一板一眼地教学,陶镇生更加崇尚从学生的兴趣出发,培养他们的自主学习习惯。从教以来,他所领导的课题组,每周都会举办一场文献组会,让学生们将自己近期看到的感兴趣的论文进行分享,让他们从自己的兴趣点出发,更好地开展自主科研工作。

征途漫漫,唯有奋斗。在陶镇生看来,在超快光学研究领域中,光源仍是一个十分重要的工具,它的发展决定了领域内后续相关探索性研究的开展。未来,在研究光与物质相互作用(特别是强光场条件下)的超快物理过程的基础上,他还将与校内外理论和实验研究团队保持密切的合作,将自己的研究向光源等方面进行拓展,比如强太赫兹源和高亮度高次谐波光源等。

眼里有光,自向远方。以初心为伴,陶镇生还将步履不停前行在这条科研追光的道路上。

评论
九牧清丰
贡士级
征途漫漫,唯有奋斗。
2024-04-27
平安是福wtx
大学士级
阅读
2024-04-26
荆春杰
学士级
创新是第一动力。人才是第一资源。
2024-05-05