中国科学院物理研究所：超快物质科学中心的科学目标与研究意义

中国科学院物理研究所：超快物质科学中心的科学目标与研究意义

超快物质科学中心面向世界科技前沿，通过在阿秒时间尺度跟踪、调控原子内部的电子超快运动，解决物理、化学、材料科学、信息科学、能源及生命科学等研究领域前沿科学问题，拓展人类探索未知的极限能力，支撑前瞻性基础研究，助力原创理论，极大带动应用研究和前沿技术的发展，提升我国在以上领域的国际竞争力及影响力。

研究主题

• 量子材料的非线性光学探测
• 量子物态的超快调控
• 激光诱导的新奇量子态
• 开放量子体系
• 固体高次谐波和强场物理
• 太赫兹光谱、超快光谱及相干声子
• 飞秒及阿秒激光技术
• 超快测量
• 含时密度泛函理论、GW方法及超快动力学模拟

科学意义

本世纪初，阿秒脉冲激光的出现为研究物质中本征的电子动力学过程提供了前所未有的工具，使得电子的实时测量与操控成为可能。物理学中绝大多数过程是基于电磁相互作用，如固体中的各种相变、载流子运动，电子的带间跃迁、带内迁移，光物理中的光电效应、吸收和辐射、包括激光本身等等都是带电粒子的运动；化学中化学反应过程本身就是分子间电荷转移与相互作用的过程。生物中的光合作用、蛋白质分子间的信息传输等也是电荷输运的结果。对电子运动的研究是物理、化学和生物学的基本问题，是理解这些过程的关键，也是最终实现对其操控的钥匙。然而由于电子运动的特征时间常常处于飞秒到阿秒的时间尺度。科学上一直缺乏足够快的手段来测量和操控这些运动，只能通过测量这些运动的结果来反推其运动规律这种间接的方法，比如测量这些过程结束后电子的动能、动量、角分布等，或者测量过程中原子核的运动。因此对于电子的动力学行为进行实时测量和操控是科学上期待已久的事情。

2001年，阿秒激光的出现第一次为人类提供了进行阿秒时间分辨测量的工具，使得电子的实时测量与操控成为可能。这不仅是时间尺度的进步，更重要的是将人们研究物质结构的能力，从原子分子运动推进到了原子内部的电子运动。这一进步对基础物理和技术研究都将产生重要影响，甚至有可能为我们带来对物质结构、量子理论、以及基本物理原理的全新认识。这些基础物理学的突破，必将带来新的技术革命，必将成为人类生产力又一次跨越式发展的关键推动力。

2005年国际顶尖科技期刊《Science》提出了最具挑战性的125个科学前沿问题，其中包括高温超导、超快计算、光伏电池效率等这些长期以来困扰科学家们的问题，其难点在于无法从根本上认识和揭示这些问题的本质—电子的运动规律。而电子处于永不停歇的超快运动中，快到只有用阿秒时间分辨率的工具才能对其进行跟踪测量和实时拍照。因此，只有阿秒激光才能有望从根本上解决这些最具挑战性的科学前沿问题。

电子动力学行为的实时测量和操控在物理、化学、材料、信息等众多学科领域有着广泛的应用，其面临的重大科学问题往往最终归结到电子超快运动规律。通过实时跟踪测量电子运动规律有望在这些基础科学领域实现重大突破，也极可能孵化出引领产业迭代升级的关键技术。

基础研究

中心将为多学科领域研究提供前所未有的探测和操控手段，科学基础研究和应用研究的需求巨大，包括原子分子物理、超快化学、生物和生物医学、凝聚态物理和材料科学、信息科学等等。

量子多体相互作用是原子分子物理研究的重要问题，与此相关的量子多体动力学问题是极具挑战性的基本物理问题之一。在多电子体系的动力学过程中，由于电子相互排斥而产生的相对运动会引起离子势的动态变化，从而影响整个动力学过程的最终结果。从量子力学诞生之日直到本世纪初，科学家们经过不断的努力，才能精确地数值求解最基本的量子三体动力学问题。然而在飞秒激光场作用下，这样的多体系统变得更为复杂，计算将涉及更多的激发态和中间态过程，目前仍然不能够做到精确求解，阻碍了人们对飞秒激光场中原子分子量子体系的认识。原子在强激光场中的双电子电离过程是典型的量子三题问题，涉及到电子与原子核的作用以及电子间的关联，其特征时间在阿秒量级。借助阿秒时间分辨的测量技术，有望从根本上认识复杂激光场中的三体量子相互作用，为这一长期困扰科学界的基本物理问题提供新的思路。

当前凝聚态物理的一个重大挑战是如何理解复杂材料中对其重要物性起决定性作用的物理机制，并利用我们对这些材料已有的物性理解来为我们寻找新型的材料提供重要指引。其中尤为引人关注的是量子材料，即不能用单电子能带结构来描述的材料，如强关联体系和低维纳米材料。这些材料具有新颖的物性，如高温超导、庞磁阻效应等，具有广泛的应用前景和潜力。然而由于这些体系中的晶格、电荷、自旋和轨道等自由度紧密关联，如何分离其中各个自由度的作用并且找出起决定性作用的物理规律，成为当今凝聚态物理和材料学科的一个重大挑战。

尽管高温超导电性已被发现了三十多年，铁基超导被发现也已经过了十年，但导致这两种高温超导的机理目前仍不清楚，成为凝聚态物理研究中最重要的物理问题之一。由于量子材料体系中各种元激发紧密关联，如何分离出对物性起决定作用的关键因素至今仍然是高温超导机理研究的严峻挑战。把传统的电子动量、能量的测量与时间分辨测量结合起来，有望在不同时间尺度上把各种激发过程分离开来，为研究这些量子材料提供一个全新的窗口，可以直接研究超导电子库珀对的形成过程。这将为揭示超导材料中的“绝缘体－超导相变”提供重要信息，并为最终理解高温超导机制提供直接的实验依据。

传统用于电子能谱测量的光源有紫外灯、同步辐射与自由电子激光，都无法实现时间分辨测量。近年来新出现的紫外激光使得时间分辨测量成为可能，然而仅6-7 eV的最高光子能量决定了它无法胜任这一角色。由高次谐波产生的阿秒激光，不仅具备极佳的时间分辨特性，更重要的是其光子能量在20-100 eV可调，是目前能够实现时间分辨电子能谱测量的唯一工具。因此，阿秒激光为解释高温超导机理问题的理想光源。

光伏发电被认为是下一代清洁能源的主要选择，其物理过程主要是表面上的光诱导电荷转移。这也是很多物理和化学过程共同关心的问题，例如光催化，表面光化学，燃料激活的太阳能电池，纳米级的光电子学等。在太阳能光伏发电技术中，一个核心的问题是光诱导的激子是如何分离产生自由的电子和空穴，从而产生光电流的。电荷转移激子解离动力学的研究有可能推动我们使用新的太阳能转换策略，从而大大提高太阳能电池的光转换效率。纳米尺度下表面光诱导电荷转移过程往往发生在飞秒甚至阿秒量级，对其研究需要在相应的时间尺度上跟踪表面或介面上电子的动力学过程。阿秒激光极大的提高了研究的时空分辨能力，不仅有助于从本质上理解这一动力学过程，也将会对清洁能源的研究产生巨大的影响。

在阿秒的时间尺度上，生物分子之间的电荷转移过程可以被揭示出来，将帮助人们从微观层次上深入了解生命过程的本质，知晓这些分子是如何相互关联在一起的，形成了如此复杂的网络。阿秒脉冲用于研究小分子与生物大分子的作用动力学还会有助于理解小分子药物的作用机制。例如，已知抗癌药物顺铂通过与DNA形成加合物的方式导致癌细胞凋亡而达到治疗肿瘤的目的，但顺铂与DNA之间的化学键形成过程等微观机制还有待揭示。如果能够利用阿秒脉冲研究其中的电子动力学过程，将有助于理解这一标志性抗癌药物的作用机制，从微观物理学的视角上提供信息，为改进药物和研发新药服务。

软X射线阿秒激光非常重要的特性是它的频率达到了“水窗”波段(波长约2.3- 4.4 纳米)，在这个区域光子不能被水吸收，但能够被碳、氮等原子强烈吸收。而碳、氮这些原子是构成生物分子的主要元素，因此阿秒脉冲是生命活体显微成像的理想光源，可以形成良好的对比度。众所周知，突破衍射极限的单分子超分辨率荧光显微技术被授予了2014年的诺贝尔奖（Eric Betzig, Stefan W. Hell, William E. Moerner），这一技术被广泛用于生物系统中，但这里一方面要进行荧光标记，另一方面时间分辨率有限，不能进行高速成像，动力学观察受到限制。对生物系统进行无标记、高速、超分辨成像是科学界梦寐以求的，阿秒脉冲有望使得这一梦想成真。另外，由于通过阿秒脉冲可以对一些生化反应以及生物大分子的化学键进行控制，甚至调控分子间的相互作用动力学，从而可以实现对于生物系统的定向操控，得到预期效果，这在医学上也可以发展一些新的治疗手段，达到精准治疗目的。

现代电子技术的基本单元是半导体晶体管。半导体因其导带和价带之间有一定的能量间隔但又不大，只需要较小的电场就可以控制电子在导带和价带间跃迁，从而控制材料中电子的运动，实现开关电路。然而同样由于其能带间隔较小，导致其带宽窄、响应时间较长。理论上目前的半导体晶体管可以提供的最大响应速度为100 GHz（1011Hz），其频率属于微波波段，也称为微波电子学。由于热效应等其他原因，实际产品最大响应速度仅为3-5 GHz，这就是我们今天计算机CPU的最大处理频率。要进一步提升计算机的速度，就需要能带间隔更大、响应频率更高的材料，这些材料通常是绝缘体，需要更强的电场才能驱动电子的运动，然而强的电场又会使绝缘体发生击穿而损坏，这成为目前电子技术无法突破的瓶颈。

最近阿秒物理的一系列研究前沿结果给这一瓶颈的突破带来了希望。通过阿秒脉冲测量，发现强激光可以在玻璃中驱动产生瞬时电流，这一电流响应时间小于1飞秒，可以完全跟光波的振荡同步，响应频率可达PHz（1015Hz）。应用阿秒脉冲测量这一瞬态过程，发现虽然光波场的强度很高，但由于驱动激光脉宽仅几个飞秒，整个脉冲的能量并不高。在如此短的时间内并不会造成材料击穿，而且电流造成的影响可完全复原。这预示着利用光波驱动绝缘体中电子的运动，可以实现PHz的电子开关，将现有的电路响应速度提高10000倍。特别是光波驱动瞬态电流的过程中，能量损失基本可以忽略，利用这一过程制作集成电路，其发热量会远远小于当前电子产品，有利于电路的进一步集成和响应频率的进一步提高。因此，阿秒物理学这一最新研究，为新一代高速电子计算机的发展奠定基础，电子学也将进入新的阶段——光波电子学。

总之，阿秒激光的应用不仅有望在量子多体问题、高温超导产生机制等基础研究助力突破，而且可能在光波电子学、清洁能源以及生物医学等这种有望实现产业升级与关系人类健康的重要问题上获得关键进展。

应用研究

超快物质科学研究具有广泛的实际应用价值，对高技术发展、产业进步和生产力提高将具有直接的带动作用，包括提高我国在阿秒激光方面的实验技术水平和推动我国高精尖科学仪器、装备的研制能力，促进具有重要科学研究价值甚至重大应用价值的材料，特别是新型量子材料体系的发现。依靠超快物质科学中心将可以大力开展各种复杂材料和技术的研发。超快物质科学中心将成为我国相关领域尖端实验设备和技术发展的基地，对我国相关高技术及产业的发展起到重要的引领作用，成为我国高技术创新的高产中心之一。同时，通过中心的建设也会在这些领域衍生出新的技术手段，这种不断推陈出新的技术发展必定会对物理、化学、生物医学、材料科学及相关领域的研究起到推动作用。

阿秒激光的应用不仅有望在量子多体问题、高温超导产生机制等基础研究助力突破，而且可能在光波电子学、清洁能源以及生物医学等这种有望实现产业升级与关系人类健康的重要问题上获得关键进展。中心将大幅提升我国在这个领域技术设备和科研队伍的实力，增强超快科学技术和应用它们解决科学问题的能力，提升国家在相关领域的国际学术地位。同时可能培育出的技术手段将会对我国高温超导、超快计算、光伏电池效率等高技术的发展产生重大的促进和带动作用。

促进学科交叉和相关领域的发展
中心将在大幅提升我国材料科学基础研究与应用研究能力的同时，有力的促进相关学科的基础与应用研究的发展，为多学科的交叉、渗透和融合以及新兴学科的发展创造前所未有的机遇，为开展相关领域的国内外合作研究，促进我国相关领域科学与技术研究的快速发展提供交流平台。

中心将直接应用于物理、化学、材料、生物医学等众多研究领域。它不仅能为这些学科的研究提供新的研究手段，植入新的研究内涵，而且将为这些不同学科之间的相互渗透、交叉和融合提供先进的科学实验装置，有力促进新思想、新方法的产生，为科学新发现、新突破带来更多的前所未有的机遇，使其在国家自主创新体系中发挥出重大作用。

国家需求

超快科学中心将为我国提供不可替代的重要科学研究平台，将有利于满足我国在航空航天、电子信息、生命健康等关键领域的重大需求，有利于我国赶超超快科学国际前沿。

中心面向解决长远且重大的世界科技前沿科学问题，将在很长时间内为国家及世界基础研究发挥重要作用。中心的主要目标在于催生原创性的重大科学发现，助力我国在物理、化学、材料科学、生物医学研究及相关领域国际竞争力的快速提升。中心将大力开展基础、交叉和新兴学科的研究，有可能取得一系列基础性、战略性、前瞻性的重大科学发现，提升我国在该领域的基础研究的学术水平和国际地位，提高我国在基础研究方面的原始创新能力。

中心面向航空航天、清洁能源、信息产业、生物医学等世界科技前沿和国家需求，将建设一个波长覆盖极紫外、软X射线、硬X射线、γ射线与太赫兹，包括高重频、高脉冲能量、短脉冲、窄带宽等适应于多种应用需求的特色性能科研平台，能够研究解决含能材料稳定性、超高频电子信息处理、以及生命健康等领域内的重大科学技术问题。这些科学问题的解答离不开电子超快动力学研究，而基于阿秒光源的研究方法是该方面研究的唯一手段。基于阿秒光源的研究方法已经开始被应用于上述问题的解决，并产生了新的成果，但是由于这些科学问题本身的复杂性，伴随着人们对这些科学问题物理过程进一步理解和认识，更深层次或其他相关联的物理过程将会浮现。鉴于基于飞秒光源的科学研究已经进行了近40年仍非常活跃，未达到拐点，基于阿秒光源的科学研究仍处在初始状态，可以预见本中心相关科学研究和技术研发工作具有长期性和重要价值。