自古以來，人類對于客觀世界的認(rèn)知，首先依賴于人類身體的感覺器官對世界的感知，而認(rèn)知的絕大部分來自視覺。從某種意義上來說，光便是我們體驗這個世界的基礎(chǔ)。千百年來，人類也一直在尋找一種能夠更好對光展開利用的方式。

▲陶鎮(zhèn)生

20世紀(jì)60年代，激光器的發(fā)明使光學(xué)領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。激光，被形象地稱為“最亮的光”“最準(zhǔn)的尺”“最快的刀”。相較于普通光源，它具有更好的相干性與偏振度，同時具有單色性、方向性好、亮度更高等特點。利用激光人們可以有目的地控制光和物質(zhì)的相互作用過程。在此之后，超快激光的誕生，更加引領(lǐng)了激光在超強、頻率擴展、相干合成等方面的發(fā)展。在這一科研成果的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們通過不斷開拓，創(chuàng)造了超快激光的飛秒時代。這種光源極具特殊性，可以通過實驗產(chǎn)生一些在日常生活中無法產(chǎn)生的物態(tài)。而如何利用超快光場的相關(guān)特點進(jìn)行物理探測、物態(tài)調(diào)控，便是復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授陶鎮(zhèn)生多年來科研攻關(guān)的重點。

為者常成，行者常至。在追“光”的道路上，陶鎮(zhèn)生始終是一個求真務(wù)實的探索者。

興趣為馬，開啟科學(xué)的大門

愛因斯坦曾說過：“好奇心是科學(xué)工作者產(chǎn)生無窮毅力和耐心的源泉。”從小，陶鎮(zhèn)生對于自然界的事物就有著強烈的好奇心，對于相關(guān)現(xiàn)象背后的本質(zhì)規(guī)律也有著極大的探索欲望。判天地之美，析萬物之理。物理給陶鎮(zhèn)生認(rèn)識這個世界打開了一扇新的窗口。

以興趣為馬，陶鎮(zhèn)生通過不懈努力，最終在高考時以優(yōu)異的成績順利考入復(fù)旦大學(xué)物理系，自此開始了全新的人生逐夢之旅。在大學(xué)4年的時間里，他學(xué)習(xí)到了更加豐富的物理領(lǐng)域知識，科學(xué)的種子逐漸開始在他的心中萌芽。研究生階段，陶鎮(zhèn)生開始真正接觸到光學(xué)領(lǐng)域的科研工作。深入這一領(lǐng)域之后，他逐漸發(fā)現(xiàn)光學(xué)領(lǐng)域的科研成果在光學(xué)儀器、通信、醫(yī)學(xué)、生物、納米制造、材料等領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。這些發(fā)現(xiàn)，讓他感到異常的興奮，深入光學(xué)領(lǐng)域開展科研探索的決心也愈加強烈。

研究生階段，陶鎮(zhèn)生主要圍繞“半導(dǎo)體量子點的發(fā)光特性”這一課題展開探索，在導(dǎo)師陸昉教授的指導(dǎo)下，他親手搭建了一套低溫?zé)晒馓綔y裝置，這也是他從事科研工作以來搭建的第一個實驗裝置。至今，他仍清晰地記得實驗裝置搭建完成時自己興奮的心情。“當(dāng)我看到通過自己搭建的實驗裝置得到的一系列實驗結(jié)果，然后通過實驗數(shù)據(jù)一點點去理解量子點的熒光是怎樣產(chǎn)生的，這由衷地讓我感覺到物理實驗和物理研究的魅力。”陶鎮(zhèn)生說。

因為研究生階段的課題涉及很多凝聚態(tài)光和物質(zhì)的相互作用研究，陶鎮(zhèn)生對這一方向產(chǎn)生了濃厚的科研興趣。為了進(jìn)一步開展探索，他決心“走出去”接觸更多這一領(lǐng)域的學(xué)術(shù)前沿。在理想的驅(qū)使下，陶鎮(zhèn)生漂洋過海，來到了美國密歇根州立大學(xué)物理及天文系攻讀博士學(xué)位，并在這一階段對自己的研究方向進(jìn)行了拓展。

這一時期，陶鎮(zhèn)生開始應(yīng)用超快電子衍射技術(shù)研究凝聚態(tài)材料在激光激發(fā)下的超快結(jié)構(gòu)相變過程，在這一領(lǐng)域積累了豐富的科研經(jīng)驗，也讓他對研究有了全新的思考。他發(fā)現(xiàn)：因為光和物質(zhì)相互作用往往率先發(fā)生的是光子對物質(zhì)中電子態(tài)的激發(fā)，而利用超快電子束去探索光激發(fā)材料后的晶體結(jié)構(gòu)變化比較片面，不能全面理解凝聚態(tài)材料在光激發(fā)之后的變化。而為了更加全面地了解這一變化，博士畢業(yè)后，陶鎮(zhèn)生選擇進(jìn)入科羅拉多大學(xué)博德分校進(jìn)行博士后研究。在那里，他師從于阿秒物理領(lǐng)域著名專家瑪格麗特·穆楠（Margaret Murnane）和亨利·卡普坦（Henry Kapteyn）教授，主攻凝聚態(tài)材料電子態(tài)阿秒動力學(xué)研究。這一時期，他的科研方向有了更大的拓寬，研究內(nèi)容也更具豐富性，這一切都為他今后的科研之路奠定了全新的基礎(chǔ)。

求學(xué)海外，滿載收獲的創(chuàng)新之旅

履歷上的一連串閃光點，記錄著陶鎮(zhèn)生在科學(xué)研究道路上留下的足跡。不管身在何處，他從未忘卻自己開展科研創(chuàng)新的初心。“雖然碩士、博士學(xué)習(xí)及博士后研究階段我的研究方向都不太一樣，但是所有的研究都是圍繞著超快光和物質(zhì)相互作用這一領(lǐng)域而展開的。”陶鎮(zhèn)生說。他很慶幸，在每一個研究方向上，都能得到領(lǐng)域內(nèi)名師的指點，接觸到最先進(jìn)的科研設(shè)備，而這些通過自己親身經(jīng)歷得到的科研經(jīng)驗，便是陶鎮(zhèn)生人生之路最寶貴的財富。

近年來，超快光學(xué)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，有許多新的非平衡態(tài)下的奇異現(xiàn)象被實驗發(fā)現(xiàn)。但是，由于這些現(xiàn)象的非平衡態(tài)的復(fù)雜本質(zhì)，對相關(guān)現(xiàn)象的理論解釋通常非常困難。并且，在對超快非平衡態(tài)過程的理解中，物質(zhì)平衡態(tài)下的性質(zhì)也往往被忽略了。長期以來，平衡態(tài)下凝聚態(tài)材料的性質(zhì)對于解釋材料超快電子和自旋動力學(xué)過程具有十分重要的指導(dǎo)意義。而這一領(lǐng)域，便是陶鎮(zhèn)生及其科研團(tuán)隊多年來主攻的科研方向。

鎳是一種鐵磁性金屬元素，具有耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、延展性好等優(yōu)良性能，廣泛用于冶金、化工、航空航天等領(lǐng)域，是制備不銹鋼、高溫合金、動力電池等材料的重要原材料，屬于關(guān)鍵戰(zhàn)略金屬資源。至今陶鎮(zhèn)生仍記得自己做的最有成就感的一項工作，就是在博士后階段后期研究的鐵磁金屬鎳在激光激發(fā)下的飛秒退磁過程。

在這一研究中，陶鎮(zhèn)生和團(tuán)隊利用超快角分辨電子能譜的方式進(jìn)行了兩方面探測，一是探測與鎳鐵磁性質(zhì)相關(guān)的能帶變化，另一方面探測電子溫度的變化。通過一系列實驗研究，他們成功發(fā)現(xiàn)了特定激光功率以上的緩慢回復(fù)動力學(xué)和比熱容發(fā)散兩個臨界現(xiàn)象，以及小于25飛秒的能量由電子體系流入自旋體系的超快過程。這項研究第一次證明了鐵磁金屬鎳的退磁過程是一個非平衡態(tài)下的超快相變過程，并與平衡態(tài)下相變建立了熱力學(xué)上的聯(lián)系。除此之外，他們還利用超快泵浦探測了不同自由度演化過程的分離，對材料磁學(xué)性質(zhì)提出了新的理解。

在這一研究工作的基礎(chǔ)上，陶鎮(zhèn)生和團(tuán)隊又開始了進(jìn)一步科研開拓。這一次他們將研究的關(guān)注點放在高次諧波阿秒脈沖序列與角分辨電子能譜的結(jié)合研究上，進(jìn)一步探測從金屬鎳表面光電子發(fā)射的阿秒時間動力學(xué)。

眾所周知，阿秒是一個比飛秒還要短3個量級的時間尺度，1阿秒等于10-18秒。到底有多短呢？1秒中光傳播的距離可以繞地球7.5圈，而1阿秒中光只能從水分子的一端傳播到另一端。而阿秒脈沖的產(chǎn)生機理來自超短超強激光與物質(zhì)極端非線性作用中的高次諧波產(chǎn)生過程，高次諧波在時域表現(xiàn)為間距半個光周期的阿秒脈沖序列。

角分辨光電子能譜是研究材料電子結(jié)構(gòu)的最直接和最有力的手段之一。它在固體材料（比如拓?fù)洳牧稀⒍S材料、高溫超導(dǎo)體、重費米子材料等）的電子結(jié)構(gòu)研究中被廣泛應(yīng)用，能夠為相關(guān)物理研究提供許多關(guān)鍵信息。

通過高次諧波阿秒脈沖序列與角分辨光電子能譜的結(jié)合，陶鎮(zhèn)生團(tuán)隊第一次用實驗證明了材料的高能非占據(jù)態(tài)對于電子阿秒運動的關(guān)鍵影響。同時，他們還觀測到阿秒發(fā)射時間和電子發(fā)射角度的依賴關(guān)系，進(jìn)一步證明了能帶色散對阿秒電子動力學(xué)測量的影響。“我們所做的這項研究工作，最大的貢獻(xiàn)就是證明了阿秒電子動力學(xué)測量與金屬能帶之間的關(guān)聯(lián)性，在此之前也有人做過類似的實驗，得到過相關(guān)的結(jié)論，但是實驗數(shù)據(jù)不是很準(zhǔn)確，而我們所做的工作在當(dāng)時是最準(zhǔn)確的一個結(jié)果。”陶鎮(zhèn)生說。

功不唐捐，玉汝于成。令陶鎮(zhèn)生驕傲的是，他和研究團(tuán)隊所取得的這些研究結(jié)果成功證明了材料平衡態(tài)下性質(zhì)對于理解超快非平衡態(tài)演化的重要性。同時，超快測量也為理解凝聚態(tài)物理提供了新的工具。這一切都為他們后續(xù)工作開展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

不忘初心，回國開啟追光之旅

2017年是陶鎮(zhèn)生科研人生的轉(zhuǎn)折點。那一年，他受國內(nèi)多所高校的邀請，回國進(jìn)行訪問交流。這次科研交流，讓陶鎮(zhèn)生對國內(nèi)的科研環(huán)境有了全新的認(rèn)識，并深刻地感受到國內(nèi)高校這幾年在科研水平方面的巨大提升。在這一背景下，陶鎮(zhèn)生回國的想法也愈加強烈。“當(dāng)時我就感覺到這是一個非常好的契機，可以回國做一些自己想做的科研工作。”他說。

2018年，陶鎮(zhèn)生成功入選國家級高層次人才計劃和上海市“東方學(xué)者”計劃，來到復(fù)旦大學(xué)物理系擔(dān)任研究員、博士生導(dǎo)師。復(fù)旦大學(xué)十分支持青年科研人才的成長，給科研工作者創(chuàng)造了良好的科研環(huán)境，提供了先進(jìn)的科研設(shè)備，這一切給了陶鎮(zhèn)生開展科研創(chuàng)新更大的底氣。回國后，他對過往科研工作進(jìn)行復(fù)盤，將主要研究方向放在用實驗室尺度強場飛秒激光產(chǎn)生太赫茲、深紫外及軟X射線激光，通過不同波段光譜學(xué)方法研究固體材料在超快激光激發(fā)下的非平衡態(tài)動力學(xué)過程，并取得一系列科研進(jìn)展。

太赫茲輻射是一種介于紅外和微波波段的電磁波，在安全檢測、無線通信和生物分子檢測等技術(shù)領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用前景。產(chǎn)生和操縱寬帶手性太赫茲波的能力，對太赫茲波在材料成像、太赫茲傳感和醫(yī)療診斷方面的應(yīng)用有著至關(guān)重要的作用。

2021年年底，陶鎮(zhèn)生所在的復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊通過不懈攻關(guān)，成功提出并開發(fā)了一種新型的自旋電子-超表面太赫茲發(fā)射器，能夠以一種高效和高度靈活的方式產(chǎn)生和操縱手性太赫茲波。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)光子學(xué)》雜志上。“這項工作結(jié)合了超快光學(xué)、自旋電子學(xué)和超構(gòu)表面技術(shù)，為高效產(chǎn)生和控制太赫茲波開辟了一條新途徑。將超寬帶、高效自旋電子學(xué)太赫茲發(fā)射器和具有預(yù)先設(shè)計功能的超表面相結(jié)合，可以產(chǎn)生更多類型的太赫茲發(fā)射器件，用于產(chǎn)生不同的時空太赫茲波形。”陶鎮(zhèn)生說。

不積跬步，無以至千里。在之前科研成果的基礎(chǔ)上，陶鎮(zhèn)生團(tuán)隊拾級而上——又基于自旋電子學(xué)-超構(gòu)表面技術(shù)設(shè)計了一種新型的多功能調(diào)控的寬譜太赫茲光源，并成功證明了寬譜圓偏振太赫茲輻射的產(chǎn)生，以及對其偏振狀態(tài)和發(fā)射波前具有靈活調(diào)控能力。值得一提的是，這一方法有望實現(xiàn)更多復(fù)雜的太赫茲光場產(chǎn)生與調(diào)控，包括太赫茲渦旋場、超環(huán)形場等。相關(guān)研究成果發(fā)表在《納米快報》（Nano Letters）上。

▲團(tuán)隊合影

陶鎮(zhèn)生團(tuán)隊之前的科研工作不僅很大程度解決了圓偏振太赫茲光產(chǎn)生與手性調(diào)節(jié)的技術(shù)復(fù)雜性問題，也為他開辟了新的科研方向。

2023年，陶鎮(zhèn)生成功申請了國家自然科學(xué)基金項目“應(yīng)用時間分辨太赫茲圓二色光譜學(xué)方法探索手性聲子的物理特性及瞬態(tài)光激發(fā)行為”。在這一項目中，他和團(tuán)隊提出應(yīng)用時間分辨太赫茲圓二色光譜學(xué)方法探測凝聚態(tài)材料中聲子的手性特征及其瞬態(tài)光激發(fā)行為，以更好地豐富凝聚態(tài)材料的調(diào)控手段，拓展對凝聚態(tài)理論的理解。值得一提的是，目前國內(nèi)外還沒有這方面技術(shù)發(fā)展和實驗結(jié)果的報道，陶鎮(zhèn)生團(tuán)隊的工作尚屬首創(chuàng)。

無懼挑戰(zhàn)，緊跟前沿的創(chuàng)新之路

青衿之志，履踐致遠(yuǎn)。回首以往的科研之路，每走一步，都是一個全新的嘗試。因為相較于其他科研領(lǐng)域而言，超快光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展尚未完全成熟，當(dāng)科學(xué)家在發(fā)現(xiàn)一個新的實驗現(xiàn)象時，經(jīng)常缺乏可以借鑒的科研經(jīng)驗，因此如何對相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行理解便成為十分困難的問題，進(jìn)而很多研究工作開展得不是很順利。“最近，我們在研究電子在凝聚態(tài)材料中的運動行為，其中就涉及弗洛凱態(tài)退相干的物理機制，相關(guān)工作我們就做了將近兩年的時間。”陶鎮(zhèn)生說。他承認(rèn)，在科研探索的過程中是需要一些運氣的。但運氣之外，他認(rèn)為科研工作者身上具備腳踏實地攻關(guān)、不懼困難挑戰(zhàn)的精神更加重要。

一路走來，陶鎮(zhèn)生十分感謝教育他、培養(yǎng)他的導(dǎo)師們。在他們的身上，他學(xué)習(xí)到了如何成為一名更加包容的科研工作者，更體會到了身為一名師者的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。如今，作為一名研究生導(dǎo)師，他目前也承擔(dān)著課題組學(xué)生的培養(yǎng)工作，并在多年的教學(xué)實踐中形成了一套屬于自己的人才培養(yǎng)模式。相較于一板一眼地教學(xué)，陶鎮(zhèn)生更加崇尚從學(xué)生的興趣出發(fā)，培養(yǎng)他們的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。從教以來，他所領(lǐng)導(dǎo)的課題組，每周都會舉辦一場文獻(xiàn)組會，讓學(xué)生們將自己近期看到的感興趣的論文進(jìn)行分享，讓他們從自己的興趣點出發(fā)，更好地開展自主科研工作。

征途漫漫，惟有奮斗。在陶鎮(zhèn)生看來，在超快光學(xué)研究領(lǐng)域中，光源仍是一個十分重要的工具，它的發(fā)展決定了領(lǐng)域內(nèi)后續(xù)相關(guān)探索性研究的開展。未來，在研究光與物質(zhì)相互作用（特別是強光場條件下）的超快物理過程的基礎(chǔ)上，他還將與校內(nèi)外理論和實驗研究團(tuán)隊保持密切的合作，將自己的研究向光源等方面進(jìn)行拓展，比如強太赫茲源和高亮度高次諧波光源等。

眼里有光，自向遠(yuǎn)方。以初心為伴，陶鎮(zhèn)生還將步履不停前行在這條科研追光的道路上。