辛 旺

（山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院,030000）

超快光譜技術(shù)在凝聚態(tài)物理研究中的運(yùn)用

辛 旺

（山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院,030000）

隨著超快技術(shù)的發(fā)展，其研究也日益受到了關(guān)注。文章主要論述了超快光譜技術(shù)運(yùn)用于凝聚態(tài)物理研究中的情況。

超快光譜技術(shù)；凝聚態(tài)物理；應(yīng)用

當(dāng)前，激光武器需要發(fā)射超短激光脈沖。激光武器過(guò)后，出現(xiàn)了超快激光器，為超快武器的發(fā)展提供了廣闊的空間。超快光譜技術(shù)是研究物質(zhì)激發(fā)態(tài)過(guò)程的重要手段。文章主要將介紹超快光譜技術(shù)在凝聚態(tài)物理學(xué)中的應(yīng)用。

1 超快光譜技術(shù)運(yùn)用例子

超快光與物質(zhì)作用的根本原因是電磁波與物質(zhì)的相互作用，超快激光能可以從多維角度與電荷、晶體等發(fā)生相互作用，如能改變物體的外部物理?xiàng)l件，感知一兩種元素，激起動(dòng)力學(xué)特征，獲得對(duì)內(nèi)部相互作用的改變。相互作用隨著能量轉(zhuǎn)移進(jìn)行，也就是彈性光散射過(guò)程。通常，在相互作用下，光波經(jīng)過(guò)點(diǎn)播處理，借助量子力學(xué)語(yǔ)言可實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的描述。量子的跳躍過(guò)程產(chǎn)生了超快光與電荷自由度間的相互作用，同時(shí)符合能量守恒定律要求。處于激發(fā)進(jìn)程中被吸收的光子角動(dòng)量符合守恒定律，通過(guò)分配的形式進(jìn)入相應(yīng)的空穴與被激發(fā)的電子位置中。

2 時(shí)間分辨原理、系統(tǒng)構(gòu)成

超快光譜的顯著特征是時(shí)間分辨。要想了解這一特征，我們可以從時(shí)間分辨的含義出發(fā)，其是物理實(shí)踐隨著實(shí)踐演變呈現(xiàn)在物理緯度上的，用時(shí)間積分的觀點(diǎn)看。物質(zhì)的存在離不開時(shí)間，假如一個(gè)可探測(cè)的物體不存在時(shí)間信號(hào)，那么通常情況下，就是時(shí)間平均信號(hào)與時(shí)間積分。時(shí)間分辨信號(hào)具有廣闊的時(shí)間尺度，下面的文章將會(huì)提供一些時(shí)間計(jì)量單位，如微妙、納秒與皮秒等，分別表示時(shí)間尺度上發(fā)生的物體。當(dāng)時(shí)間尺度上發(fā)生的物理時(shí)間大于0.01秒，就可以通過(guò)攝像機(jī)捕捉并記錄到，更小級(jí)別的量級(jí)尺度如毫秒與納秒等，可以通過(guò)示波器來(lái)記錄。通過(guò)光電子學(xué)器件或者計(jì)算機(jī)控制的電子學(xué)進(jìn)行記錄, 這些方法多限定于微觀中的電路RC響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。在皮秒與納秒較短的時(shí)間分辨內(nèi)，可以專門通過(guò)電子學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行探測(cè): 如時(shí)間關(guān)聯(lián)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)的應(yīng)用就是這方面的表現(xiàn), 它經(jīng)一個(gè)時(shí)間轉(zhuǎn)變成幅度電路,借助電容電壓幅度與時(shí)間的正比來(lái)分辨時(shí)間,能有效運(yùn)用于發(fā)光的研究體系。飛秒與皮秒具有固定的時(shí)間尺度, 目前，使用的超快光譜學(xué)方法要針對(duì)這種情況來(lái)探測(cè)時(shí)間分辨信號(hào), 此外，其它的方法如單純力、電與磁等還不能有效地分析超快物熱、理過(guò)程出現(xiàn)的時(shí)間分辨信息。我們可以通過(guò)時(shí)間分辨信號(hào)直接獲取物理體系于時(shí)間變化中產(chǎn)生的超快過(guò)程信息, 有助于揭示物理機(jī)制, 因此，針對(duì)超快動(dòng)力學(xué)研究時(shí)間分辨非常重要。我們通常情況下能看到的超快光譜技術(shù)包含: 射線超快光譜、H z 時(shí)域超快光譜等。其比較突出的超快光譜技術(shù)是T X 抽運(yùn)- 探測(cè)超快光譜技術(shù),是來(lái)自加州理工大學(xué)的 Ahmed H . Zew ail 教授最先成功應(yīng)用于超快過(guò)程研究，并獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在之后一段較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，這種技術(shù)在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域得到了較為成功的廣泛使用。埃及的金字塔是是最為悠久的歷史建筑之一, 到現(xiàn)在為止大約有 6500 余年的時(shí)間, 1f s 與金字塔的年齡比起來(lái)實(shí)在相差太遠(yuǎn), 1f s 與 10s 比起來(lái), 等同于 10s ，與整個(gè)宇宙具有相同的年齡。

3 磁振子與金屬與相干態(tài)軌道波、相變動(dòng)力學(xué)

3.1 凝聚態(tài)物理研究中的磁振子

凝聚態(tài)物理學(xué)是以固體物理學(xué)為主干,進(jìn)一步拓寬研究對(duì)象,深化研究層次形成的學(xué)科。磁振子即自旋波，形成于量子壓縮態(tài)，與磁振子、聲子相似，都是由處于凝聚態(tài)物質(zhì)中的低能集體元激發(fā)產(chǎn)生的, 此外，通光即玻色子, 不同之處其是準(zhǔn)粒子, 不可離開載體而獨(dú)立存在。晶體原子中的外層電子存在相互作用，這種作用是海森伯交換, 都處在周期性晶格上,是統(tǒng)一的整體，相互構(gòu)成了自旋波?；诓６笮? 自旋波的量子即磁振子,處在二次量子化中，具有與聲子相同的物理描述。反鐵磁體通過(guò)自旋取形成了兩套相互交叉的子格子, 具有兩套不同的朝向，一套朝上，一套朝下,兩套子格子的磁矩大小與方向各異，從總體上看去，體系磁矩為零。

3.2 金屬與相干態(tài)軌道波與相變動(dòng)力學(xué)

超快光誘導(dǎo)的絕緣體- 金屬與相干態(tài)軌道波與相變動(dòng)力學(xué)有助于我們深刻認(rèn)識(shí)超快光譜學(xué),是一種主動(dòng)感知物質(zhì)的內(nèi)在性質(zhì)。超快光譜學(xué)包含了大量的光與物質(zhì)間的相互作用:既有相干態(tài)的形成, 也有量子噪聲的宏觀調(diào)控,為我們呈現(xiàn)了超快動(dòng)力學(xué)研究中的絕緣體- 金屬相變,將主動(dòng)的、光控制的物理演變進(jìn)程清晰地呈現(xiàn)出來(lái)。軌道波的量子也orbiton，，提出時(shí)間較晚，是一種固體中的集體元激發(fā), 類似于聲子與自旋波, 是由軌道自由度的元激發(fā)而來(lái)的。晶格原子外層電子軌道的波函數(shù)具有不同的波函數(shù)形式, 從總體上看，構(gòu)成格波即軌道波。關(guān)于此方面的實(shí)驗(yàn)報(bào)道軌道較多,有可能形成于巨磁阻效應(yīng)的亞錳酸鹽與高溫超導(dǎo)體中, 這些物質(zhì)內(nèi)含有過(guò)渡金屬離子, 軌道自由度對(duì)其物理性質(zhì)產(chǎn)生了直接影響。處在在軌道波函數(shù)的光子可以自由地與物質(zhì)相互作用。最近的拉曼散射與超快光譜學(xué)都非常趨于實(shí)際地觀測(cè)到了軌道波。處于P r 0. 7 Ca0. 3 MnO3 中的超快光譜學(xué)研究中 ，通過(guò)觀察與檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了光致絕緣體- 金屬相變。值得注意，超快光譜研究既形成了相變, 也將相變產(chǎn)生的時(shí)間呈現(xiàn)出來(lái), 借助抽運(yùn) - 探測(cè)技術(shù)探測(cè)了相干態(tài)的軌道波。

4 我國(guó)超快光譜技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

在研究凝聚態(tài)物理學(xué)的基礎(chǔ)上，超快光譜學(xué)技術(shù)的應(yīng)用具有許多成功的例子，定期召開的科學(xué)會(huì)議都有提及，同時(shí)也發(fā)表了許多重要的科學(xué)雜志。凝聚態(tài)物理學(xué)的生命力源于超快領(lǐng)域的迅速發(fā)展，同時(shí)還有凝聚態(tài)物理學(xué)本身的發(fā)展，只有兩者相互結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)共同發(fā)展。相比較超快強(qiáng)場(chǎng)物理與超快激光武器的研究，我國(guó)在凝聚態(tài)超快光譜技術(shù)的發(fā)展還有許多路要走。尤其是凝聚態(tài)物理學(xué)中的磁學(xué)與電學(xué)和國(guó)外比起來(lái)，差距還非遠(yuǎn)。這就需要在該領(lǐng)域的我國(guó)科技工作者共同努力，實(shí)現(xiàn)整個(gè)物理學(xué)的快速發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

光子都具有相同的能量與振蕩,而如何控制其他粒子達(dá)到同樣的狀態(tài)一直就是對(duì)物理學(xué)家的挑戰(zhàn)。通過(guò)超快光譜技術(shù)研究凝聚態(tài)物質(zhì)具有在國(guó)際社會(huì)社會(huì)上具有許多成功的例子。凝聚態(tài)物質(zhì)的超快光譜許具有的生命力源于超快領(lǐng)域的發(fā)展，此外，還有凝聚態(tài)物理本身的發(fā)展，兩者相互結(jié)合，才能更好發(fā)展。相比凝聚態(tài)學(xué)科中的電學(xué)等其它學(xué)科，尤其是我國(guó)的超快光譜學(xué)研究依然發(fā)展較慢，這就需要物理工作者在這方面共同努力。超快光譜技術(shù)在極短的時(shí)間將物理奧秘解釋出來(lái)，有助于我們更細(xì)致地探索時(shí)間緯度，也為我們使用光學(xué)方法探究靜態(tài)物理提供了寬廣的渠道。

[1] 喬自文.高炳榮.陳岐岱.王海宇.王雷.飛秒超快光譜技術(shù)及其互補(bǔ)使用[J].中國(guó)光學(xué),2014,(04):588-599.

[2] 朱勁松.南京大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)科[J].物理,2015,(09):598-602.

辛 旺.1986.12，學(xué)歷:碩士研究生，籍貫山西省大同市，職稱 助教

Application of ultrafast spectroscopy in condensed matter physics

Xin Wang
（College of physics and electronic engineering, Shanxi University, 030000）

With the development of ultra fast technology,its research is increasingly concerned.This paper mainly deals with the application of ultrafast spectroscopy in condensed matter physics.

ultrafast spectroscopy;condensed matter physics;application