多维超快光谱

p 　　超快光谱的出现，让人们能通过“慢动作”观察到化学反应过程中的原子与分子的转变状态，给化学以及相关科学领域带来一场新的革命。而多维超快光谱被认为是研究生物、化学和功能纳米材料凝聚相动力学的主要工具之一。 /p p 　　英国布里斯托尔大学研究人员汤姆· 奥利弗此次在《英国皇家学会开放科学》上发表综述文章，总结了这项技术的最新进展与关键进步，并阐述了新的多维光谱探针获得的新成果。文章称，当多维超快光谱技术达到成熟时，可以探索的频域范围大大增加，实验技术能够将激发和发射频率涵盖太赫兹和紫外线波段。而最近的一些创新，还包括极端的交叉峰值光谱，将在探测分子相互作用动力学方面发挥作用。 /p

全共线多功能超快光谱仪BIGFOOTMONSTR Sense Technologies是由密歇根大学研究人员成立的科研设备制造公司。该公司致力于研发为半导体研究应用而优化的超快光谱仪和显微镜，突破性的技术可将光学器件和射频电子器件耦合在一起，以稳健的方式测量具有干涉精度的光学信号，真正实现一套设备、一束激光、多种功能。图1. 全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT不仅兼具共振和非共振超快光谱探测，还可以兼容瞬态吸收光谱（Transient absorption (TAS)）、相干拉曼光谱(Coherent Raman Spectroscopy (CRS))、多维相干光谱探测(Multidimensional Coherent Spectroscopy (MDCS))。开创性的全共线光路设计，使其可以与该公司研发的高精度激光扫描显微镜（NESSIE）联用，实现超高分辨超快光谱显微成像。全共线多功能超快光谱仪的开发也充分考虑了用户的使用体验，系统软件可自动调控参数，光路自动对齐、无需校正等特点都使得它简单易用。全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT主要技术参数：高精度激光扫描显微镜NESSIEMONSTR Sense Technologies的高精度激光扫描显微镜NESSIE可用入射激光快速扫描样品，在几秒钟内就能获得高光谱图像。该设备可适配不同高度的样品台和低温光学恒温器，物镜高度最多可变化5英寸，大样品尺寸同样适用。NESSIE显微镜是具有独立功能，可以与几乎任何基于激光测量与高分辨率成像的设备集成在一起，也非常适合与该公司研发的全共线多功能超快光谱仪集成。图2. 高精度激光扫描显微镜NESSIE 高精度激光扫描显微镜-NESSIE的输入信号为单个激光光束，输出信号为样品探测点收集的单个反向传播光束，这样的光路设计确保了反传播信号在扫描图像时不会相对于输入光束漂移，因而非常适用于激光的实验中的成像显微镜系统。图3. 使用NESSIE在室温下测量的GaAs量子阱的图像。a） 用相机测量的白光图像。b） 用调谐到GaAs带隙的80MHz激光器（5mW激光输出）进行激光扫描线性反射率测量。c） 同时测量的激光扫描四波混频图像揭示了影响GaAs层的亚表面缺陷 BIGFOOT+NESSIE应用案例：1. 高精度激光扫描显微镜用于材料表征美国密歇根大学课题组通过使用基于非线性四波混频（FWM）技术的多维相干光谱MDCS测量先进材料的非线性响应，利用激子退相和激子寿命来评估先进材料的质量。课题组使用通过化学气相沉积生长的WSe2单分子层作为一个典型的例子来证明这些功能。研究表明，提取材料参数，如FWM强度、去相时间、激发态寿命和暗/局部态分布，比目前普遍的技术，包括白光显微镜和线性微反射光谱学，可以更准确地评估样品的质量。在室温下实时使用超快非线性成像具有对先进材料和其他材料的快速原位样品表征的潜力。图4. (a)通过拟合时域单指数衰减得到的样本的去相时间图，在图(a)中用三角形标记的选定样本点处的FWM振幅去相曲线【参考】Eric Martin, et al Rapid multiplex ultrafast nonlinear microscopy for material characterization. Optics Express 30, 45008 (2022). 2.二维材料中激子相互作用和耦合的成像研究过渡金属二卤代化合物（TMDs）是量子信息科学和相关器件领域非常有潜力的材料。在TMD单分子层中，去相时间和非均匀性是任何量子信息应用的关键参数。在TMD异质结构中，耦合强度和层间激子寿命也是值得关注的参数。通常，TMD材料研究中的许多演示只能在样本上的特定点实现，这对应用的可拓展性提出了挑战。美国密歇根大学课题组使用了多维相干成像光谱（Multi-dimensional coherent spectroscopy, 简称MDCS），阐明了MoSe2单分子层的基础物理性质——包括去相、不均匀性和应变，并确定了量子信息的应用前景。此外，课题组将同样的技术应用于MoSe2/WSe2异质结构研究。尽管存在显著的应变和电介质环境变化，但相干和非相干耦合和层间激子寿命在整个样品中大多是稳健的。图5. （a）hBN封装的MoSe2/WSe2异质结构的白光图像。（b）MoSe2/WSe2异质结构在图（a）中的标记的三个不同样本点处的低功率低温MDCS光谱。（c）图（b）中所示的四个峰值的FWM(Four-Wave Mixing)四波混频积分图。（d）MoSe2/WSe2异质结构上的MoSe2共振能量图。（e）MoSe2/WSe2异质结构的WSe2共振能量图。（f）所有采样点的MoSe2共振能量与WSe2共振能量【参考】Eric Martin, et al Imaging dynamic exciton interactions and coupling in transition metal dichalcogenides, J. Chem. Phys. 156, 214704 (2022) 3. 掺杂MoSe2单层中吸引和排斥极化子的量子动力学研究当可移动的杂质被引入并耦合到费米海时，就形成了被称为费米极化子的新准粒子。费米极化子问题有两个有趣但截然不同的机制： (i)吸引极化子（AP）分支与配对现象有关，跨越从BCS超流到分子的玻色-爱因斯坦凝聚；（ii）排斥分支（RP），这是斯通纳流动铁磁性的物理基础。二维系统中的费米极化子的研究中，许多关于其性质的问题和争论仍然存在。黄迪教授课题组使用了Monstr Sense公司的全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT研究了掺杂的MoSe2单分子层。课题组发现观测到的AP-RP能量分裂和吸引极化子的量子动力学与极化子理论的预测一致。随着掺杂密度的增加，吸引极化子的量子退相保持不变，表明准粒子稳定，而排斥极化子的退相率几乎呈二次增长。费米极化子的动力学对于理解导致其形成的成对和磁不稳定性至关重要。图6. 单层MoSe2在不同栅极电压下的单量子重相位振幅谱【参考】Di HUANG, et al Quantum Dynamics of Attractive and Repulsive Polarons in a Doped MoSe2 Monolayer, PHYSICAL REVIEW X 13, 011029 (2023)

人类一直在追求捕捉物体运动更快的画面，比如骏马疾驰，一直是令人赞叹的画面。然而，由于骏马奔跑时的速度实在太快，人类用肉眼很难捕捉到清晰的画面；再比如，一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次，然而对于人类来说只能感觉到嗡嗡的声音和模糊的翅膀动作…人类一直在探索自然界的瞬态过程，陆续达到毫秒量级、微秒量级、纳秒量级、皮秒和飞秒的时间分辨。纳秒量级约等于10的负9次方秒，皮秒约等于10的负12次方秒，飞秒等于10的负15次方秒。其中，观测分子的转动和振动过程、电子从激发态回到基态的弛豫过程，就需要皮秒到飞秒量级的时间分辨。更进一步，要观察电子甚至原子核内的运动过程，就需要时间分辨率进一步达到阿秒（10的负18次方级秒），甚至仄秒（相当于10的负21次方级秒）。回顾历史，诺贝尔奖的赋予更是加持了科学家对其的热爱。1999年，诺贝尔化学奖颁发给了致力于时间分辨率上的超快光谱探测技术的科学家；2023年，诺贝尔物理学奖授予皮埃尔阿戈斯蒂尼、费伦茨克劳斯和安妮吕利耶三位科学家，以表彰他们在阿秒光脉冲方面作出的贡献。在阿秒研究中，我国科学家也取得了重大进展。据悉，2013年，中国科学院物理研究所魏志义课题组实现了160 as孤立阿秒脉冲测量实验结果，这是我国在阿秒科学领域的重大突破。随后，华中科技大学、国防科技大学和中国科学院西安光学精密机械研究所的研究团队也先后实现了阿秒激光脉冲的产生和测量……据了解，阿秒脉冲光技术是人类目前所掌握最快的时间尺度。它就像一把尺子，尺子刻度越细，可测量的精度就越精细。更重要的是，这为超快光谱探测技术提供了新的时间分辨率——依靠更快的速度，人类可以观测定格到更加清晰细小的微观世界。而所谓超快光谱探测技术，就是指利用脉冲激光器对样品进行激光刺激，并用激光对刺激后的样品进行探测，以研究样品在极短时间内的光物理、光化学和光生物反应的一种方法。超快光谱探测技术将人类自然科学的研究带入了一个更快的世界，已经成为研究物质激发态能级结构及弛豫过程的强有力工具，是研究反应动力学的科研利器，该测试技术近年在Nature、Science等国际顶刊上频频出现，已成为热点话题。那么，超快光谱目前的发展情况如何？可以解决哪些关键问题？有哪些最新的研究成果？2024年7月16-19日，由仪器信息网主办，中国仪器仪表学会近红外光谱分会、中国科学院物理研究所、中国遥感应用协会高光谱专业委员会、南通长三角智能感知研究院等协办的“第十三届光谱网络会议, 简称iCS2024”将拉开帷幕。会议期间，多位超快光谱相关专家将在云端开讲，超快光谱相关仪器技术及前沿应用不容错过。立即报名》》》中国科学院物理所 魏志义 研究员《超快激光及应用》（2024年7月16日开讲 点击报名）魏志义，中国科学院物理研究所研究员。1991年4月于中科院西安光机所获得博士毕业，1991年至1997年中山大学博士后并出站后留校工作。1997年5月调入中国科学院物理研究所，1999年晋升研究员。长期致力于超快激光技术及应用研究，曾先后在英国、香港、荷兰、日本等国家和地区合作研究，多项成果打破世界纪录，率先在国内开展了光学频率梳研究，首次在国内产生阿秒脉冲。迄今发表SCI论文400余篇，授权发明专利30余项，国际会议邀请报告100多次，作为第一完成人获国家技术发明二等奖（2018）及中国科学院科技进步二等奖（2000）、科技促进二等奖（2014）等奖项。是中国科学院青年科学家奖（2001）、国家杰出青年基金（2002）、胡刚复物理奖（2011）获得者。因在超高强度飞秒激光、超快光子学等研究方面的重要贡献，先后当选美国光学学会fellow及中国光学学会、中国光学工程学会会士。华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室 陈缙泉 教授《利用时间分辨手性光谱表征伴随激发态电子和能量传递过程中的手性产生和放大过程》（2024年7月17日上午开讲 点击报名）陈缙泉教授，本科毕业于南京大学，博士毕业于Ohio State University，毕业后分别在Montana State University 和Emory University开展博士后工作，2015年加入华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室。主要研究方向是发展高灵敏的多维时间分辨瞬态光谱技术，利用该技术研究生物大分子与功能染料分子中激发态动力学过程，重点关注分子体系中电荷/能量转移、系间穿越、电子自旋轨道耦合等过程的关联和相关过程的调控，并开发和设计新型的光动力学疗法药物，近年来工作已在 Science, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Chem等国际一流期刊发表，目前共发表论文130余篇。近5年主持了多项国家基金委面上项目和国家自然科学基金重大研发计划重点项目，入选2016年国家高层次人才计划，2019年上海市青年科技启明星计划。【摘要】手性的产生、传递和放大可视为手性物质与外界的一种能量交换方式，该方式一方面直接受其构型或构象影响，另一方面又与电子自旋翻转、电-磁场相互作用、电子/能量转移等物理过程息息相关。对于手性产生、传递、放大和调控的物理机制和规律的研究正由传统的宏观稳态层面深入到新兴的微观瞬态层面，理论研究还有待深入，实验研究还有待突破。为了解析分子和超分子体系中手性的产生和传递机理，该课题组研发了飞秒时间分辨圆二色吸收光谱（fs-TRCD）和飞秒-纳秒圆偏振发射光谱（TR-CPL）技术，实现了分子体系激发态手性产生和传递过程的精密测量。基于实验结果，发现和总结了分辨分子体系基态和激发态手性的光谱学方法，并阐明了不同分子体系中CPL产生和传递的物理机制，为后续多层次手性分子材料的精准构筑奠定了理论基础。中国科学院物理研究所 陈海龙 研究员《飞秒宽带瞬态荧光光谱仪及其应用》（2024年7月17日上午开讲 点击报名）陈海龙，中国科学院物理研究所研究员，博士生导师。2006年本科毕业于北京大学物理学院，2011年于中科院物理研究所获得光学博士学位，随后进入美国莱斯大学化学系从事博士后研究。2016年加入中科院物理研究所软物质物理实验室任副研究员，2022年起任中科院物理研究所研究员。主要研究方向为发展和建立多种先进超快光谱技术，并用以探索各类低维光电材料、纳米半导体光催化材料以及光合膜蛋白等体系内各种超快光转换动力学过程。在国际/国内核心期刊上发表论文100余篇。【摘要】基于非共线光参量放大原理的飞秒时间分辨瞬态荧光光谱仪具备高时间分辨、高增益、宽测量带宽以及低探测极限等诸多优点，是研究各类光化学及光物理等超快动力学过程的一个重要测量手段。参量超荧光环（即真空量子噪声参量放大信号）的强度涨落是非共线光参量放大飞秒瞬态荧光光谱仪的主要噪声来源，并因此极大限制其对微弱瞬态荧光信号的检测能力。他们将传统的荧光点状非共线光参量放大的光学构型升级为环状的锥形参量放大构型，即利用整个参量荧光环进行荧光放大。基于量子噪声涨落空间独立性的特点，新的光学构型可以将量子噪声进行全环空间平均以极大提高瞬态荧光光谱测量的信噪比。利用此技术，他们实现了对叶绿素分子激发态以及多种光合蛋白体系瞬态荧光光谱的实验观测，并以此揭示了其中的能量转移、电荷分离、振动冷却等多种超快动力学过程。振电（苏州）医疗科技有限公司 首席执行官/CEO 王璞 《超高灵敏瞬态吸收在分子互作上的应用》（2024年7月17日上午开讲 点击报名）王璞，博士，现任北京航空航天大学生物与医学工程学院特聘教授、生物医学高精尖中心研究员，博士生导师，入选第十四批国家海外青年人才项目。王璞本科毕业于复旦大学物理系，2009-2014年博士就读于普渡大学生物医学工程学院，师从于非线性成像专家程继新教授。博士期间主要工作是生物光子学医疗器械的开发以及非线性显微镜的开发与应用。已发表SCI论文20余篇，专利5项。王璞以第一或通讯作者在Nature Photonics，Science Advances，Light：Science & Applications, Nano letters等领域内一流期刊均有发表。王璞曾主持开展多项美国小企业创新奖励基金（SBIR/STTR award），并代领团队完成多项科研转化工作。其中包括相干拉曼显微镜的产业化，光声成像在乳腺以及心血管的器械转化等等。目前王璞教授主要研究工作为非线性拉曼显微镜的开发以及在先进材料、单细胞代谢的表征方案，以及光致超声器件在生物医学中的应用。同时担任振电（苏州）医疗科技有限公司CEO，致力于开发推广最先进的分子光谱成像技术。【摘要】蛋白分子互作检测是研究蛋白质与其它分子之间相互作用的一系列技术和方法。这些方法能够揭示适体分子如何结合并影响蛋白质。微尺度热泳（MST）是一种基于热泳现象的溶液中分子亲和性定量检测方法，通常所需样本量小，检测通量大，速度快，且样品处理步骤简单，但依赖于荧光标记或蛋白自发荧光来检测温度梯度下的浓度变化。中国人民大学化学与生命资源学院讲师王豪毅 博士《时间分辨光谱助力光合作用三重态光保护研究》（2024年7月17日上午开讲 点击报名）王豪毅，2013年于华东理工大学获得理学学士学位，2018年于中国人民大学获得理学博士学位。2018-2020年于中国科学院物理研究所从事博士后研究工作，2021-2023年于中国人民大学从事博士后研究工作，2023年任职中国人民大学化学与生命资源学院。主要从事自然光合作用体系超快激发态动力学行为，人工光合体系光电转换机理研究，关注超快激光光谱技术和方法。【摘要】光合作用是地球生命体中最为重要的生物化学反应，从微观层面揭示高效光合作用的物化反应机制，是光转换领域的重要课题。高等植物和藻类光合作用体系中捕光复合物II（LHCII）三聚体在猝灭过剩能量过程中扮演重要角色，其中的核心色素分子为叶绿素和类胡萝卜素。叶绿素单重态（1Chl*）经系间窜越转换到叶绿素三重态（3Chl*）的量子效率高于60%，而3Chl*敏化产生单线态氧1O2的效率接近于100%。所以，通过3Chl*向类胡萝卜素分子（Car）传能成为高等植物和藻类重要的光保护策略。本报告将讲解时间分辨光谱助力光合体系3Chl*特征的观测结果，此部分3Chl*会被O2猝灭形成活性氧物种（ROS），而此类ROS可作为生物适应性进化的信号分子而发挥正向作用。进一步揭示高等植物菠菜与海洋绿藻假根羽藻中，蛋白结构、色素组成与相应类胡萝卜素三重态3Car*猝灭性质的内在关联，并深入探究了相应3Car*猝灭受O2可及性的影响。为进一步认识3Car*光保护机制并深入理解光合生物光保护生理功能提供新认识。作为应用最广泛的仪器类别之一，光谱仪器及技术的发展一直备受业界的关注。特别值得一提的是，随着科技的发展，相关光谱新技术、新应用层出不穷，特别是拉曼、近红外、LIBS、太赫兹、高光谱，以及超快光谱、微型光谱等一直备受关注。不仅如此，现场快检、过程监控、实验室高通量分析在实践中的作用也越来越凸显。与此同时，随着大数据时代的到来，光谱技术与人工智能的结合也已经成为推动各行各业发展的强大引擎，开启一个全新的智能光谱时代！可以说，兼具实用和前沿，全球百亿光谱市场酝酿着无限的生机和活力。由仪器信息网主办，中国仪器仪表学会近红外光谱分会、中国科学院物理研究所、中国遥感应用协会高光谱专业委员会、南通长三角智能感知研究院等协办的“第十三届光谱网络会议, 简称iCS2024)”将于2024年7月16-19日召开。点击立即报名，免费参会》》》报名链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/ics2024/