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阿秒凝聚态物理——见证一门新型交叉学科的兴起 | 进展

阿秒脉冲技术是本世纪激光技术及超快科学的一个重大突破，由于具有阿秒（1阿秒=10-18秒）和皮米（1 皮米 =10-12米）量级的超高时空分辨率，阿秒脉冲近年来已经成为在凝聚态物理、材料科学、化学生物、信息成像等领域开拓新应用、发现新现象的重要手段。2023年诺贝尔物理学奖被授予Pierre Agostini、Ferenc Krausz和Anne L’Huillier三位物理学家，以表彰他们在实现阿秒脉冲技术方面做出的贡献，强有力地彰显了这一重大突破的引领作用。
在凝聚态物理中，电子及各类准粒子的行为对材料性质总是起着至关重要的作用，成为解决当代凝聚物理面临的基础问题（比如对高温超导机制的理解、对固体内多体相互作用的精确量化，以及各类准粒子形成过程的动态描述和调控）的关键（图1）。因此，理解材料中电子和各种准粒子的超快动力学行为，并对其进行高时空分辨的测量和调控，继而实现对物质宏观特性的理解和应用，已成为当代凝聚态物理和材料科学的核心内容。在这样的背景下，基于阿秒脉冲技术，在阿秒时间尺度下开展研究的超快凝聚态物理学方兴未艾，快速成为解决基础物理学、光电子和半导体器件、太阳能电池工业、甚至生命科学领域的基本问题的“杀手锏”。
阿秒凝聚态物理——见证一门新型交叉学科的兴起 | 进展
图1. 固体阿秒超快动力学中的相互作用示意图。
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的孟胜研究团队综述了阿秒时间尺度下超快凝聚态物理学领域的最新进展。文章指出，这是一门刚刚兴起的、紧密融合超快激光技术和物质科学领域发展的新型交叉学科。文章介绍了具有阿秒分辨率的先进光谱测量和成像技术，以及固体中电荷、激子和磁性相关的阿秒动力学的研究进展（图2）。文章强调固体中多体相互作用（包括电子关联、电子-空穴相互作用、自旋轨道耦合和电声相互作用）在阿秒动力学中的重要影响，以及阿秒动力学在光电子器件和信息存储技术中的应用。最后对凝聚态阿秒动力学的发展前景做了进一步展望。作为一个新兴的学科领域，阿秒尺度下的超快凝聚态物理学将为凝聚态物理乃至传统物质科学提供新的科学见解，也将为发展下一代颠覆性技术铺平道路。
阿秒凝聚态物理——见证一门新型交叉学科的兴起 | 进展
图2. 凝聚态物质科学领域具有阿秒分辨率的先进光谱测量和成像技术。(a). 石墨中具有阿秒时间分辨的瞬态吸收谱（左）；瞬态吸收谱的短时傅里叶变换（右）。(b). MgF2中产生的高次谐波谱（左）；由高次谐波谱重构和计算模拟得到MgF2中价电子密度分布（右）。(c). 强激光场作用下MgF2中价电子密度分布随时间的变化。(d). 钨晶体中的阿秒光电子发射谱（左）；光电子发射谱表明钨的4f态电子与导带电子之间存在大约100阿秒的发射延迟（右）。(e).分子-金属表面激光诱导的隧穿电流空间分布随脉冲延迟时间的变化。(f). 左旋和右旋偏振激光照射下谐振器电子阿秒时间尺度的振荡（顶）；谐振器电偶极矩和电四极矩随时间的振荡（底）。
该成果近期发表在Chinese Physics Letters上。文章第一作者为中科院物理所博士后胡史奇,文章通讯作者为孟胜研究员。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金委和中国科学院的资助。

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