超快光谱技术在凝聚态物理研究中的运用

辛 旺

（山西大学物理电子工程学院,030000）

超快光谱技术在凝聚态物理研究中的运用

辛 旺

（山西大学物理电子工程学院,030000）

随着超快技术的发展，其研究也日益受到了关注。文章主要论述了超快光谱技术运用于凝聚态物理研究中的情况。

超快光谱技术；凝聚态物理；应用

当前，激光武器需要发射超短激光脉冲。激光武器过后，出现了超快激光器，为超快武器的发展提供了广阔的空间。超快光谱技术是研究物质激发态过程的重要手段。文章主要将介绍超快光谱技术在凝聚态物理学中的应用。

1 超快光谱技术运用例子

超快光与物质作用的根本原因是电磁波与物质的相互作用，超快激光能可以从多维角度与电荷、晶体等发生相互作用，如能改变物体的外部物理条件，感知一两种元素，激起动力学特征，获得对内部相互作用的改变。相互作用随着能量转移进行，也就是弹性光散射过程。通常，在相互作用下，光波经过点播处理，借助量子力学语言可实现对物质的描述。量子的跳跃过程产生了超快光与电荷自由度间的相互作用，同时符合能量守恒定律要求。处于激发进程中被吸收的光子角动量符合守恒定律，通过分配的形式进入相应的空穴与被激发的电子位置中。

2 时间分辨原理、系统构成

超快光谱的显著特征是时间分辨。要想了解这一特征，我们可以从时间分辨的含义出发，其是物理实践随着实践演变呈现在物理纬度上的，用时间积分的观点看。物质的存在离不开时间，假如一个可探测的物体不存在时间信号，那么通常情况下，就是时间平均信号与时间积分。时间分辨信号具有广阔的时间尺度，下面的文章将会提供一些时间计量单位，如微妙、纳秒与皮秒等，分别表示时间尺度上发生的物体。当时间尺度上发生的物理时间大于0.01秒，就可以通过摄像机捕捉并记录到，更小级别的量级尺度如毫秒与纳秒等，可以通过示波器来记录。通过光电子学器件或者计算机控制的电子学进行记录, 这些方法多限定于微观中的电路RC响应时间常数。在皮秒与纳秒较短的时间分辨内，可以专门通过电子学方法对其进行探测: 如时间关联单光子计数技术的应用就是这方面的表现, 它经一个时间转变成幅度电路,借助电容电压幅度与时间的正比来分辨时间,能有效运用于发光的研究体系。飞秒与皮秒具有固定的时间尺度, 目前，使用的超快光谱学方法要针对这种情况来探测时间分辨信号, 此外，其它的方法如单纯力、电与磁等还不能有效地分析超快物热、理过程出现的时间分辨信息。我们可以通过时间分辨信号直接获取物理体系于时间变化中产生的超快过程信息, 有助于揭示物理机制, 因此，针对超快动力学研究时间分辨非常重要。我们通常情况下能看到的超快光谱技术包含: 射线超快光谱、H z 时域超快光谱等。其比较突出的超快光谱技术是T X 抽运- 探测超快光谱技术,是来自加州理工大学的 Ahmed H . Zew ail 教授最先成功应用于超快过程研究，并获得了诺贝尔化学奖。在之后一段较长的时间内，这种技术在凝聚态物理领域得到了较为成功的广泛使用。埃及的金字塔是是最为悠久的历史建筑之一, 到现在为止大约有 6500 余年的时间, 1f s 与金字塔的年龄比起来实在相差太远, 1f s 与 10s 比起来, 等同于 10s ，与整个宇宙具有相同的年龄。

3 磁振子与金属与相干态轨道波、相变动力学

3.1 凝聚态物理研究中的磁振子

凝聚态物理学是以固体物理学为主干,进一步拓宽研究对象,深化研究层次形成的学科。磁振子即自旋波，形成于量子压缩态，与磁振子、声子相似，都是由处于凝聚态物质中的低能集体元激发产生的, 此外，通光即玻色子, 不同之处其是准粒子, 不可离开载体而独立存在。晶体原子中的外层电子存在相互作用，这种作用是海森伯交换, 都处在周期性晶格上,是统一的整体，相互构成了自旋波。基于波粒二象性, 自旋波的量子即磁振子,处在二次量子化中，具有与声子相同的物理描述。反铁磁体通过自旋取形成了两套相互交叉的子格子, 具有两套不同的朝向，一套朝上，一套朝下,两套子格子的磁矩大小与方向各异，从总体上看去，体系磁矩为零。

3.2 金属与相干态轨道波与相变动力学

超快光诱导的绝缘体- 金属与相干态轨道波与相变动力学有助于我们深刻认识超快光谱学,是一种主动感知物质的内在性质。超快光谱学包含了大量的光与物质间的相互作用:既有相干态的形成, 也有量子噪声的宏观调控,为我们呈现了超快动力学研究中的绝缘体- 金属相变,将主动的、光控制的物理演变进程清晰地呈现出来。轨道波的量子也orbiton，，提出时间较晚，是一种固体中的集体元激发, 类似于声子与自旋波, 是由轨道自由度的元激发而来的。晶格原子外层电子轨道的波函数具有不同的波函数形式, 从总体上看，构成格波即轨道波。关于此方面的实验报道轨道较多,有可能形成于巨磁阻效应的亚锰酸盐与高温超导体中, 这些物质内含有过渡金属离子, 轨道自由度对其物理性质产生了直接影响。处在在轨道波函数的光子可以自由地与物质相互作用。最近的拉曼散射与超快光谱学都非常趋于实际地观测到了轨道波。处于P r 0. 7 Ca0. 3 MnO3 中的超快光谱学研究中 ，通过观察与检测，发现了光致绝缘体- 金属相变。值得注意，超快光谱研究既形成了相变, 也将相变产生的时间呈现出来, 借助抽运 - 探测技术探测了相干态的轨道波。

4 我国超快光谱技术应用现状

在研究凝聚态物理学的基础上，超快光谱学技术的应用具有许多成功的例子，定期召开的科学会议都有提及，同时也发表了许多重要的科学杂志。凝聚态物理学的生命力源于超快领域的迅速发展，同时还有凝聚态物理学本身的发展，只有两者相互结合，才能实现共同发展。相比较超快强场物理与超快激光武器的研究，我国在凝聚态超快光谱技术的发展还有许多路要走。尤其是凝聚态物理学中的磁学与电学和国外比起来，差距还非远。这就需要在该领域的我国科技工作者共同努力，实现整个物理学的快速发展。

5 结束语

光子都具有相同的能量与振荡,而如何控制其他粒子达到同样的状态一直就是对物理学家的挑战。通过超快光谱技术研究凝聚态物质具有在国际社会社会上具有许多成功的例子。凝聚态物质的超快光谱许具有的生命力源于超快领域的发展，此外，还有凝聚态物理本身的发展，两者相互结合，才能更好发展。相比凝聚态学科中的电学等其它学科，尤其是我国的超快光谱学研究依然发展较慢，这就需要物理工作者在这方面共同努力。超快光谱技术在极短的时间将物理奥秘解释出来，有助于我们更细致地探索时间纬度，也为我们使用光学方法探究静态物理提供了宽广的渠道。

[1] 乔自文.高炳荣.陈岐岱.王海宇.王雷.飞秒超快光谱技术及其互补使用[J].中国光学,2014,(04):588-599.

[2] 朱劲松.南京大学凝聚态物理学科[J].物理,2015,(09):598-602.

辛 旺.1986.12，学历:硕士研究生，籍贯山西省大同市，职称 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