宮曉春在華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室介紹阿秒團(tuán)簇符合測量系統(tǒng)。

阿秒是非常小的時(shí)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(yùn)動?！爱?dāng)人們能夠進(jìn)一步觀測或者操控電子運(yùn)動的時(shí)候，就會逐漸發(fā)現(xiàn)人們已經(jīng)慢慢在嘗試開啟一個(gè)阿秒化學(xué)的時(shí)代?！比A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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員宮曉春日前在接受澎湃新聞（www.6773257.com）專訪時(shí)表示。

今年8月，宮曉春入選“上?？萍记嗄?5人引領(lǐng)計(jì)劃”獲獎名單，以表彰其建成國際首套阿秒團(tuán)簇符合測量系統(tǒng)，創(chuàng)新性提出阿秒團(tuán)簇尺寸分辨譜，填補(bǔ)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(bǔ)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(fèi)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(shí)間縮短至43阿秒，創(chuàng)造激光脈沖持續(xù)時(shí)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(yùn)動物理圖像以“慢動作”形式再現(xiàn)，從而人類能以極高的時(shí)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(jī)遇。

華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員宮曉春

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?！盎瘜W(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(shí)，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(qiáng)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(shí)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(shí)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(shí)，電子需要數(shù)阿秒乃至數(shù)百阿秒的時(shí)間穿越原子或分子的電場。

團(tuán)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)?！耙酝芯康钠款i在于研究人員主要采用紅外、拉曼、THz等光譜手段，觀測團(tuán)簇里原子核的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動，時(shí)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(jì)建造了國際上首套阿秒團(tuán)簇符合測量系統(tǒng)，通過阿秒團(tuán)簇尺寸分辨譜，研究人員可在單分子空間尺度及阿秒時(shí)間尺度層面精確測量不同尺寸的水團(tuán)簇在光電離時(shí)刻，電子與母體空穴空間離域性之間的相互作用，揭示水團(tuán)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(qiáng)場光物理方面的新奇現(xiàn)象與自然規(guī)律，實(shí)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?！拔覀兺瑫r(shí)也在不斷優(yōu)化改造先進(jìn)的極紫外阿秒光源及超高時(shí)間分辨的泵浦探測延遲線，基于這種高分辨的探測時(shí)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(shí)，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(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(bǔ)，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(shí)驗(yàn)室，宮曉春需要開發(fā)阿秒團(tuán)簇符合測量系統(tǒng)。這期間宮曉春只管每天泡在實(shí)驗(yàn)室埋頭苦干，“搭建實(shí)驗(yàn)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(xiàng)新技能的最好時(shí)機(jī)?！苯Y(jié)果宮曉春“火力全開”，不到一年時(shí)間就設(shè)計(jì)建造出這套系統(tǒng)。當(dāng)他看到了水團(tuán)簇，測到了阿秒電子過程，實(shí)驗(yàn)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(shí)，實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)室的大多數(shù)人一樣，沒想到你把實(shí)驗(yàn)室弄好了，儀器還測量出非常漂亮的結(jié)果?！睂Ψ匠兄Z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(tuán)簇符合測量系統(tǒng)仍在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定運(yùn)行，供國內(nèi)外研究人員和新學(xué)生做實(shí)驗(yàn)、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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室深入優(yōu)化升級改造了阿秒團(tuán)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(shí)，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(shí)便研究電子測量，觀測原子核運(yùn)動，“當(dāng)時(shí)還沒有阿秒脈沖手段，并不清楚電子譜時(shí)頻特征及其背后的物理機(jī)制，雖然知道電子是一種阿秒運(yùn)動，卻沒有辦法開展實(shí)時(shí)觀測?！痹诎⒚牍怆婋x的研究過程中，他一直想琢磨明白電子的干涉機(jī)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?！弊x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(bào)》發(fā)表學(xué)術(shù)論文，拿到了實(shí)驗(yàn)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(shí)，他也沒有虛度時(shí)光，而是不斷打磨自己，補(bǔ)充學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)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(jì)建造阿秒團(tuán)簇符合測量系統(tǒng)。當(dāng)回國再建時(shí)，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?yàn)檠芯繒咂??！?/p>

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(gè)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(tuán)簇符合測量系統(tǒng)研制原子分波干涉計(jì)，發(fā)展一種原子分波干涉的方法，分辨每個(gè)電子的成分，觀測一個(gè)原子態(tài)里各個(gè)組份光電離過程中的時(shí)頻特性和相互關(guān)聯(lián)。他希望能有更多機(jī)會探求先進(jìn)科學(xué)儀器設(shè)計(jì)新思路，實(shí)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(shí)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(shí)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?！?/p>

（編者注：本文系澎湃科技與上?？萍悸?lián)合推出的“正自廣闊：上?？萍记嗄?5人引領(lǐng)計(jì)劃追光報(bào)道”系列之一。敬請垂注更多后續(xù)報(bào)道。）