辛 旺

（山西大學物理電子工程學院,030000）

超快光譜技術(shù)在凝聚態(tài)物理研究中的運用

辛 旺

（山西大學物理電子工程學院,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；應用

當前，激光武器需要發(fā)射超短激光脈沖。激光武器過后，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)物理學中的應用。

1 超快光譜技術(shù)運用例子

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條件，感知一兩種元素，激起動力學特征，獲得對內(nèi)部相互作用的改變。相互作用隨著能量轉(zhuǎn)移進行，也就是彈性光散射過程。通常，在相互作用下，光波經(jīng)過點播處理，借助量子力學語言可實現(xiàn)對物質(zhì)的描述。量子的跳躍過程產(chǎn)生了超快光與電荷自由度間的相互作用，同時符合能量守恒定律要求。處于激發(fā)進程中被吸收的光子角動量符合守恒定律，通過分配的形式進入相應的空穴與被激發(fā)的電子位置中。

2 時間分辨原理、系統(tǒng)構(gòu)成

超快光譜的顯著特征是時間分辨。要想了解這一特征，我們可以從時間分辨的含義出發(fā)，其是物理實踐隨著實踐演變呈現(xiàn)在物理緯度上的，用時間積分的觀點看。物質(zhì)的存在離不開時間，假如一個可探測的物體不存在時間信號，那么通常情況下，就是時間平均信號與時間積分。時間分辨信號具有廣闊的時間尺度，下面的文章將會提供一些時間計量單位，如微妙、納秒與皮秒等，分別表示時間尺度上發(fā)生的物體。當時間尺度上發(fā)生的物理時間大于0.01秒，就可以通過攝像機捕捉并記錄到，更小級別的量級尺度如毫秒與納秒等，可以通過示波器來記錄。通過光電子學器件或者計算機控制的電子學進行記錄, 這些方法多限定于微觀中的電路RC響應時間常數(shù)。在皮秒與納秒較短的時間分辨內(nèi)，可以專門通過電子學方法對其進行探測: 如時間關(guān)聯(lián)單光子計數(shù)技術(shù)的應用就是這方面的表現(xiàn), 它經(jīng)一個時間轉(zhuǎn)變成幅度電路,借助電容電壓幅度與時間的正比來分辨時間,能有效運用于發(fā)光的研究體系。飛秒與皮秒具有固定的時間尺度, 目前，使用的超快光譜學方法要針對這種情況來探測時間分辨信號, 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、理過程出現(xiàn)的時間分辨信息。我們可以通過時間分辨信號直接獲取物理體系于時間變化中產(chǎn)生的超快過程信息, 有助于揭示物理機制, 因此，針對超快動力學研究時間分辨非常重要。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 時域超快光譜等。其比較突出的超快光譜技術(shù)是T X 抽運- 探測超快光譜技術(shù),是來自加州理工大學的 Ahmed H . Zew ail 教授最先成功應用于超快過程研究，并獲得了諾貝爾化學獎。在之后一段較長的時間內(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 余年的時間, 1f s 與金字塔的年齡比起來實在相差太遠, 1f s 與 10s 比起來, 等同于 10s ，與整個宇宙具有相同的年齡。

3 磁振子與金屬與相干態(tài)軌道波、相變動力學

3.1 凝聚態(tài)物理研究中的磁振子

凝聚態(tài)物理學是以固體物理學為主干,進一步拓寬研究對象,深化研究層次形成的學科。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, 不同之處其是準粒子, 不可離開載體而獨立存在。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)軌道波與相變動力學

超快光誘導的絕緣體- 金屬與相干態(tài)軌道波與相變動力學有助于我們深刻認識超快光譜學,是一種主動感知物質(zhì)的內(nèi)在性質(zhì)。超快光譜學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)了超快動力學研究中的絕緣體- 金屬相變,將主動的、光控制的物理演變進程清晰地呈現(xiàn)出來。軌道波的量子也orbiton，，提出時間較晚，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)于此方面的實驗報道軌道較多,有可能形成于巨磁阻效應的亞錳酸鹽與高溫超導體中, 這些物質(zhì)內(nèi)含有過渡金屬離子, 軌道自由度對其物理性質(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都非常趨于實際地觀測到了軌道波。處于P r 0. 7 Ca0. 3 MnO3 中的超快光譜學研究中 ，通過觀察與檢測，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)生的時間呈現(xiàn)出來, 借助抽運 - 探測技術(shù)探測了相干態(tài)的軌道波。

4 我國超快光譜技術(shù)應用現(xiàn)狀

在研究凝聚態(tài)物理學的基礎上，超快光譜學技術(shù)的應用具有許多成功的例子，定期召開的科學會議都有提及，同時也發(fā)表了許多重要的科學雜志。凝聚態(tài)物理學的生命力源于超快領(lǐng)域的迅速發(fā)展，同時還有凝聚態(tài)物理學本身的發(fā)展，只有兩者相互結(jié)合，才能實現(xiàn)共同發(fā)展。相比較超快強場物理與超快激光武器的研究，我國在凝聚態(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)物理學中的磁學與電學和國外比起來，差距還非遠。這就需要在該領(lǐng)域的我國科技工作者共同努力，實現(xiàn)整個物理學的快速發(fā)展。

5 結(jié)束語

光子都具有相同的能量與振蕩,而如何控制其他粒子達到同樣的狀態(tài)一直就是對物理學家的挑戰(zhàn)。通過超快光譜技術(shù)研究凝聚態(tài)物質(zhì)具有在國際社會社會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)學科中的電學等其它學科，尤其是我國的超快光譜學研究依然發(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)在極短的時間將物理奧秘解釋出來，有助于我們更細致地探索時間緯度，也為我們使用光學方法探究靜態(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)及其互補使用[J].中國光學,2014,(04):588-599.

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

辛 旺.1986.12，學歷: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