华东师大:年轻团队挑战时间空间“极限”


在数学与科学系的15个国家重点实验室中,华东师范大学精密光谱科学与技术实验室占有一席之地。夜幕降临时,当学生们正在观看荔湾河畔美丽的风景时,一群人在科学楼实验室“开夜车”对于要求极高灵敏度的实验,通常最好在晚上进行。

这是一个和华东师范大学一起长大的实验室。华东师范大学成立于20世纪50年代,当时有一个分子光谱学教学和研究小组。到2000年左右,建成教育部重点实验室,2009年树立国家重点实验室品牌。

去年,国家杰出青年科学基金获得者吴健从日德留学归来。36岁时,他担任重点实验室主任,也是迄今为止最年轻的国家重点实验室主任。最近,吴健团队独立开发了一套多维精密分子测控平台。几个着名的外国研究团体已经来到上海利用这个平台进行科学研究。

追求高灵敏度、高精度和高分辨率

1981年诺贝尔奖获得者罗晓和2005年诺贝尔奖获得者霍尔在获奖致辞中对华东师范大学精密光谱科学技术国家重点实验室表示感谢,因为测量精度、分辨率和灵敏度的每一次提高都将推动科学技术的进步。

这是一个持续追求时间、空间、频率和温度极限的实验室。他们的目标是“三高”高灵敏度、高精度和高分辨率。以时间为例,他们是更早更好地掌握飞秒技术的国内团队。

飞秒是10到15秒的幂。飞秒和秒之间的时间差就像地球和太阳之间的距离。在这个尺度下,人们可以看到分子中原子核的振动,但是要看到较小的电子和离子的运动,需要阿秒的较短时间尺度。

阿秒是10-18秒,如何得到它是一个世界级的问题。

在研究中,把时间转换成空间是通常的方法。吴健团队发现光子不仅上下振动,还具有左右极化。光场振动的周期为2.6飞秒。当时间预计为360度时,每度获得的时间为7.2阿秒。2013年,吴健团队首次通过光场振动获得阿秒,结果发表在《国际期刊》《Nat.Commun》上。

1秒钟有多长?对许多人来说,这可能是他们一生中从未考虑过的问题。“秒”的定义是时间标准的基础。目前,“秒”的一般定义是基于微波波段原子的跃迁,而“光学时钟”的定义则是基于光波波段原子的跃迁,其精度远远高于微波时钟。由吴健领导的实验室正在制造国内最好的光学时钟,挑战定义时间精度的极限。

用“组合拳击”解决世界级问题

目前,实验室已聚集了59名科研人员和十几个研究小组,并在过去五年中承担了200多项科研任务。在这里,每个研究小组都有“特殊技能”:和最快的阿秒团队。最冷的个原子被激光冷却到非常接近绝对零度的毫微克(度日“卡尔文”)水平,玻色-爱因斯坦凝聚可以在这个尺度上获得。有人最了解单光子的脾气很容易观察光子能量的吸收和变化。因为实验室在速度、频率、冷却和控制方面有自己独特的技术,所以它特别擅长通过不同技术的巧妙配置和漂亮的“组合拳击”来解决科学问题。

去年,他们攻克了分子的精确测量和调控,建立了世界上第一个也是唯一一个“分子强场电子-离子四极符合测量系统”。这个项目是将四个团队结合他们自己在实验室的优势来解决-冷原子团队负责“固定”原子。飞秒小组和光学梳小组负责分子成像;擅长控制单光子的团队负责观察。因为每个队都能达到世界级水平