根据光与物质的相互作用，利用飞秒激光，对物质中的结构和电子的运动过程进行超快时间分辨的观测。它相当于一台高速的摄像机，拍摄电子运动的电影。
分享者：
浙大化学系研究员 朱海明
推荐人：
浙大化学系教授 李浩然
自然界中绝大部分的物质都是由分子和原子构成的。
其中，原子是由带正电的原子核和绕核高速运动的带负电的电子构成。
所以简单说来，电子是一种构成物质的基本粒子，它直接决定了物质的物理、化学性质。
许多现象都与电子的运动息息相关。
例如
我们人体内部的物质代谢、生活中常见的发光、燃烧等现象所伴随的化学反应等，都起源于物质电子的得失和转移。
我们所使用的电脑、手机等各类电子产品，其工作的电流，也都是由电子的定向移动产生的。
所以，研究电子的运动就很关键。
电子是一种微观粒子，无法像宏观物体一样简单用肉眼进行直接观察，但是可以通过一些特殊的实验手段对电子进行观测。
比如，1897年汤姆逊在研究稀薄气体放电的实验中，通过观察到负极射线的偏转，证明了电子的存在。
著名的威尔逊云室实验也能通过拍摄到带电粒子的运动轨迹，间接地让人们“看”到电子。
图：威尔逊云室实验
对于大部分物质科学研究而言，人们更关心的是
电子在分子或材料里的空间、能量、动量上的分布，以及电子在不同物质之间或能量之间的运动、转换过程。
这些过程，使用常规手段比如光学显微镜、电子显微镜等都是看不到的。
于是，我们要去借助光谱,尤其是时间分辨的光谱——
光谱是科研人员观察分子、原子、电子等微观物质世界的眼睛，利用光与物质的相互作用，例如吸收、发射、散射等过程，探测打在物质上之后光的性质的变化，从而得到物质的结构以及电子所处的空间和能量的信息。
传统光谱手段只有能量、强度的信息，
如果把传统的光谱再加上时间的信息，我们就能够捕捉电子运动的过程。
时间分辨超快激光光谱系统是基于超短飞秒脉冲激光器所搭建的一套时间分辨光谱测试系统，原理上是根据光与物质的相互作用，
对物质中的结构和电子的运动过程进行超快时间分辨的观测
，相当于一台高速的摄像机，拍摄电子运动的电影。
具体原理是：
在测试中使用两束超短脉冲激光，一束作为激发光与样品中的电子发生相互作用，产生激发态的电子，另一束作为探测光，对某一时刻电子的状态和性质进行探测。
通过改变两束光到达样品的光程差，调整探测光与激发光到达样品的时间差，从而探测不同时刻的电子性质，做到时间分辨测量。
电子的跃迁、转移等过程都发生在很短的时间内，一般在皮秒（
10
-12
秒），甚至飞秒（
10
-15
秒）尺度，常规的测试手段很难对如此短时间内的过程进行探测。
而超快激光光谱利用飞秒时间宽度的激光脉冲，可以实现同时
具有超高时间分辨率和能量分辨率
，结合显微镜又能实现高空间分辨率，因此能够很好的观测电子在短时间尺度内的行为和过程。
这一项技术可以与很多领域相结合，
例如与有机化学领域相结合，探究有机反应中的反应机理；
与半导体领域结合，探究半导体中激发态载流子的性质；
或者与光电器件相结合，探究光电转换器件在工作时的原理等等。
光、电等不同能源形式间的转化是21世纪的热点问题，也是各种光电转换器件比如太阳能电池，发光二极管、光电探测器或者光催化器件的基本工作原理。
这些能源转化过程中的核心就是电子的运动。
如何从理解电子运动的过程和机理角度出发，找到提高光电转换效率和性能的途径以及新的策略，是我们的研究主题
。
通过与不同领域的科研人员合作，我们最近有两项工作发表。
第一个工作是关于
Sb
2
S
3
这种光伏半导体材料的。
一直以来
Sb
2
S
3
材料因为合适的光学性质，无毒稳定，地球储量又高被认为一种很有潜力的太阳能电池材料。
但是在近年来的研究中，这种材料的太阳能电池的转换效率一直不高，人们把原因归咎于这种材料中存在的外来缺陷，不断在改进材料制备和器件设计以期提高器件效率，但是没有太大的提升。
我们课题组通过超快激光光谱手段发现，这种材料的光电转换效率的主要限制因素，不是外来因素引入的缺陷，其实是来源于材料自身本征的缺陷。
这个自缺陷就算在完美的
Sb
2
S
3
单晶材料中都会存在，是没法通过改进材料制备和器件设计解决的，因此这个材料本身是不适合拿来做太阳能电池的。
这个工作让这个领域的人都重新认识这种材料，也为理性设计基于材料的光电转化器件提供了基础。
这个工作10月份已经发表在了Nature Communication（https://www.nature.com/articles/s41467-019-12445-6）
在第二个工作是关于利用石墨烯作为热电子光电响应材料的。
工作将发表在11月的Science Advances 5, eaax9958 (2019)上。
在搭建时间分辨超快激光系统的过程中，我的学生在我的指导下进行了实验室的建设，他们很有天赋也非常努力，虽然一开始的时候他们对这个领域一无所知，但在一年的时间内，他们一边学习一边创造，成功地完成了超快系统的建设，我为他们感到十分骄傲。
在这个过程中，我印象比较深刻的是刚开始搭建系统的时候，经常会碰到一些难以解决的棘手问题，我会投入其中，参与和他们一起的工作。
有时候问题一时解决不了，我们就会坐在实验室的地上一起讨论。
有时候工作的比较晚，我们就会一起去吃夜宵继续讨论。
在这样的锻炼过程中，学生们也在不断地学习成长，等到后来他们渐渐开始掌握方法了，我就只需要参加吃夜宵过程就好了。
目前我们实验室的超快光谱的时间分辨率高达30飞秒，测试波长覆盖紫外到中红外，可以测试常规的溶液，薄膜，粉末样品，同时结合显微镜也可以对微米尺寸的小样品进行测试。
我们还将低温技术，电学技术和超快光谱相结合，可以在不同温度以及电学环境下进行测试。
我们实验室的的
测试精度高，手段多样，测试范围广，
在全国乃至全世界都处于先进水平。
学科交叉和保持前沿是相辅相成的。
学科交叉为保持前沿提供了动力，而保持前沿又进一步为学科交叉提供了机会。
图：课题组合影
从我们课题组成立以来，我们就以非常开放的心态，不要受学科界线的束缚，不断去学习新的知识，积极地与本校和外校各个相关学科和相关领域（化学、物理、材料、光电等）的课题组进行合作交流。
这让我们不仅能接触到各个领域最前沿的研究内容和难点，找到领域的核心科学问题，还能不断地促进我们设计更新实验手段，拓展我们的研究范围
，通过交叉的手段和思维方式一起解决有挑战性的问题，取得前沿的科研成果。
而我们取得的科研成果，又能吸引不同领域的课题组与我们进行学科交叉的合作，相辅相成，行成良性循环，长久保持课题组的高活力与高产出。
课题组网址：
http://www.zhultrafast.org/
工欲善其事，必先利其器。朱海明课题组利用时间分辨的超快激光系统打造了观察化学、物理、材料、生物等涉及电子过程的利器。就如你手里有锤子，看什么都象钉子。化学系用激光研究的还有彭笑刚、王鹏、冯建东等课题组，他们与光学、材料、物理学科的交叉，将实质促进学科汇聚。
——李浩然 教授
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