南开物理研究所的光谱论文

在大学期间，1927年他就发表了第一篇学术论文，处理了双原子分子的光谱问题。同一年，他在用波动力学来处理韧致辐射的论文中，首次使用了后来被称为密度矩阵的概念，在后来的量子力学和量子统计物理学中起了重要的作用。在19岁生日的前两天，朗道从列宁格勒大学毕业，成为前苏联科学院列宁格勒技术物理研究所的研究生。经过数次申请，1929年10月，朗道被批准出国。在不到两年的时间中，朗道先后在德国、瑞士、荷兰、英国、比利时和丹麦进修访问。他曾回忆说，在这段时间里，除了费米之外，他见到了几乎所有的量子物理学家。在与这些著名科学家的交往中，朗道充分地展示了他的才能和个性。在丹麦的哥本哈根，朗道深受“哥本哈根精神”的感染，并成为玻尔研究班上的活跃分子。后来玻尔在谈到朗道时说：“他一来就给了我们深刻的印象。他对物理课题的洞察力，以及对人类生活的强烈见解，使许多次讨论会的水平上升了。”虽然朗道一生中接触过不计其数的物理学家，而他在玻尔那里只呆了四个月左右的时间，但他却对玻尔十分敬仰，终生只承认自己是玻尔的学生。在欧洲的进修访问期间，朗道在金属理论方面做了重要的工作。在1930年发表的《金属的抗磁性》这篇论文中，朗道应用量子力学来处理金属中的简并理想电子气，提出理想电子气具有抗磁性的磁化率。这一性质现在被称为朗道抗磁性。据说在瑞士苏黎世的一次讨论会上，当朗道作完了有关抗磁性的报告后，他的好友佩尔斯评论说：“朋友们，让我们面对现实吧，现在咱们只能靠朗道吃剩的面包皮维持生活了。”与此同时，朗道还和佩尔斯研究了将量子理论应用于电磁场的可能性，提出了在量子理论中电磁场量的可观测性问题。他们二人曾经专程赶到哥本哈根，就此问题和玻尔进行了马拉松式的激烈讨论，结果导致玻尔和罗森菲耳德撰写了关于这个问题的著名论文。1931年春天，朗道准备启程回国，虽然有人曾暗示他不要回去，但朗道自有主见，临行前，他对罗森菲耳德说：“我必须为我的国家工作。这是一次长久的离别。也许是永久的离别，除非你来访问我们。”后来，只在1933年和1934年，朗道再度短期访问过哥本哈根。回国后，最初朗道仍在列宁格勒物理研究所工作。朗道在内心深处是赞成革命的，并按自己的理解而相信马克思主义。但他反对中世纪式的思想专制和愚昧残忍，于是与当权者有了矛盾。另外由于他在学术问题上与研究所的领导约飞有分歧，虽然朗道是正确的，但却冒犯了这位权威。在一次朗道作了学术报告后，约飞宣称朗道所讲的内容不得要领，而朗道则毫不客气地当众回敬道：“理论物理学是一门复杂的科学，不是任何人都能理解的”。由于这样一些原因，朗道最后不得不离开了列宁格勒。从1932年起，朗道在哈尔科夫的乌克兰科学院物理——技术研究所工作，并担任了理论物理部的主任。1934年，在没有经过论文答辩的情况下，朗道获得了博士学位，1935年任哈尔科夫大学的教授，在哈尔科夫时，朗道开始计划写一部理论物理学的巨著。这部主要由朗道来构思，由郎道和他的学生里弗席兹合作完成的多卷本《理论物理学教程》从1938年开始陆续出版。这部几乎包罗万象的物理学名著，有近十种文字的译本，并于1962年获得列宁奖。在哈尔科夫，朗道还创立了著名的理论物理学须知，后来也被称为“朗道位垒”，这个考试纲目除了数学内容之外，几乎囊括了理论物理学所有的重要分支。在朗道逝世前，仅有43人冲过了这个“位垒”，其中许多人后来成为博士、教授和苏联科学院的院士。在朗道周围，也开始形成了一个独具特色的“朗道学派”。成为“朗道的学生”，则是苏联青年物理学家们既向往而又很有些望而生畏的目标。在哈尔科夫期间，朗道的科学研究工作继续深入。他发展了普遍的二级相变理论，不但说明了许多当时认为很奇特的现象，而且为此后各种新型相变的研究开辟了道路。他就铁磁磁畴结构、铁磁共振理论和反铁磁态理论发表了一系列的重要文章。此外，他还对原子碰撞理论、原子核物理学、天体物理学、量子电动力学、气体分子运动论、化学反应理论和有关库仑相互作用下的运动方程等方面作了研究。1937年，又是在一次与理工学院的院长发生口角后，朗道断然离开了哈尔科夫，随后到了卡皮查所领导的莫斯科物理问题研究所工作。他在哈尔科夫的一些最有才能的学生同事，也随他而去。1938年冬，在当时的“清洗”中，朗道突然以“德国间谍”的罪名被捕，并被判处十年徒刑，送到莫斯科最严厉的监狱。由于卡皮查等人的竭力营救，一年后，已经奄奄一息的朗道终于获释。朗道从1937年开始的对于低温物理学中液氦超流动性问题的研究，使他在1962年获得诺贝尔物理学奖。朗道提出了与理论不同的二流体模型，尤其是对液氦这种量子液体能谱的分析，显示了他深刻的物理洞察力。他提出了“旋子”的概念，根据这一理论，可以很好的解释液氦Ⅱ的超流动性，并进而预言了超流氦中“第二声”(一种温度波)的存在。这一预见于1944年得到了实验验证。朗道在物质凝聚态的研究方面进行过许多继往开来的基本工作，甚至有人说，从固体物理学到凝聚态物理学的过渡，可以认为是从朗道的工作开始的。他本人对超流性的工作特别满意，当有人间他“您一生中最得意的工作是什么”时，他回答：“当然是超流性理论，因为至今还没有人能够真正懂得它。”在莫斯科，朗道还研究了电子簇射的级联理论和超导体的混合态等问题。这时基本粒子物理学和核相互作用理论开始在他的工作中占了更大的比重。他发展了关于燃烧和爆炸的理论(1944—1945)，探索了质子——质子散射和高速粒子在媒质中的电离损失等问题。1946年，他提出了等离子体的振动理论。在1947—1953年间，朗道考虑了电动力学中的各种问题，研究了氦Ⅱ的粘滞性理论，发展了关于超导性的新的维象理论和粒子在高速碰撞中的多重起源理论。前者在低温物理学中起了推动作用，后者对宇宙射线物理学相当重要。1954年，朗道研究了与量子场论的原理有关的一些问题，论证了量子电动力学和量子场论中所用的微扰方法在有些事例中并不是自洽的。从1956年到1958年，朗道创立了所谓费米液体的普遍理论，力图概括氦Ⅲ和金属中的电子。1957年，当宇称守恒定律已经显得不能普遍适用时，朗道提出了现代物理学中一条新的重要定律来代替它，即CP守恒定律。1959年，朗道又在基本粒子理论的结构方面提出了一些新的看法。他在一篇论文中提出了一种方法，来确定粒子的所谓相互作用振幅的基本性质。综上所述，朗道的学术工作领域是相当广阔的，而且成果丰硕。

阿基米德 古希腊 浮力定律 以及一句名言“给我一个支点和一根足够长的棍子，我可以撬动地球”伽利略 意大利 加速度的计算，钟摆计算，以及初期的相对论 著名的比萨斜塔试验，以及伽利略的大船，都被我们所记住牛顿 英国 力学三大定律，奠定了物理学的基础，当然还有微积分的发明，不过这让牛顿很丢人，最被我们记住的当然是苹果落地的故事麦克斯韦 英国 经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。不过他还有一个麦克斯韦小妖爱因斯坦 美国 相对论，及光电效应 他的伟大我就不说了，不过他也曾经犯过错误，因为他说上帝是不会掷色子的，还有一个故事是说爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖是因为他的光电效应，为什么不是相对论呢，因为当时没有几个人明白，不知道对错，所以不能评奖，万一几年后有人证明是错的，那不是贻笑大方了。还有很多，比如哥本哈根学派 他们共同研究出了量子力学，这也是让爱因斯坦犯了错近代的 费曼 霍金 。。。。很多了

近日，南开大学物理科学学院超快电子显微镜实验室付学文教授团队与美国布鲁克海文国家实验室Yimei Zhu教授团队等开展合作，基于自主开发的4D超快透射电镜，观测到了银膜上飞秒激光诱导表面等离激元的分布及动力学过程，为等离激元器件的设计和应用提供了指导。该研究于近日以“Nanoscale-Femtosecond Imaging of Evanescent Surface Plasmons on Silver Film by Photon-Induced Near-Field Electron Microscopy”为题，发表在国际重要学术期刊《Nano Letters》。 近年来，付学文教授研究团队与合作者在4D超快透射电镜中发展了基于自由电子-光子强相互作用的光子诱导近场电子显微镜（PINEM）技术，并提出了一种新型双色光子超快泵浦-探测方案，将四维超快电镜的时间分辨提升了一个数量级（达到50飞秒），在飞秒与纳米时空尺度揭示了单个Mott绝缘体VO2纳米线的绝缘体-金属相变动力学过程（Nat. Commun. 2020, 11, 5770）。在本工作中，研究团队进一步用PINEM成像技术研究了银膜上表面等离激元的分布及超快动力学过程。 表面等离激元是金属表面自由电子的集体共振振荡，可以将光限制在非常小的尺寸，实现在纳米尺度操纵光场。这些独特的优点使得表面等离激元在表面增强拉曼光谱、传感器、光伏器件和量子通信等领域具有广阔的应用前景。由于银纳米结构具有从可见光到近红外光范围内可调谐的表面等离激元共振特性，因此被认为是最重要的表面等离激元材料之一。银纳米结构表面等离激元的共振特性可以通过改变其形态、大小和其他参数来调节。为了更好地设计和使用等离激元器件，理解表面等离激元的产生、传播和衰减过程是至关重要的。然而，所有这些过程都发生在飞秒的时间尺度和纳米的空间尺度上。因此，以合适的时空分辨率直接表征和捕获不同银纳米结构的表面等离激元具有重要的意义。 研究团队利用配备了电子能量损失谱仪的4D超快透射电子显微镜，通过PINEM技术研究了银膜上飞秒激光（波长515 nm）诱导的表面等离激元。实验得到的电子与表面等离激元近场相互作用后的能谱呈现出典型的PINEM能谱特征：电子能谱零损失峰（ZLP）两侧出现一系列离散的峰，其间隔为入射光子能量的整数倍，意味着电子在与表面等离激元近场相互作用中吸收或放出了多个光子（图1a）。通过改变泵浦激光的能量密度并对电子能量谱中的PINEM部分积分， 他们发现PINEM强度首先随激光能量密度线性增长，在15mJ/cm2达到饱和（图1a、b）。在15mJ/cm2的入射激光能量密度下，通过改变激光的偏振研究了PINEM强度的偏振依赖性。发现与纳米线、纳米棒等结构的偏振依赖性不同，激光偏振方向的改变不会影响银膜上的PINEM强度（图1c）。 图1：a、不同入射激光能量密度下的电子能谱；b、相对PINEM强度与入射激光能量密度的关系；c、PINEM强度与入射激光偏振方向的关系。 通过只选择吸收光子能量的电子进行能量过滤成像，他们直接观测到了表面等离激元的空间分布，并通过改变入射激光的偏振方向揭示了激光偏振方向对表面等离激元分布的影响（图2a）。表面等离激元在产生后首先沿着激光的偏振方向传播，然后在垂直于偏振方向的晶界处发生散射，在能量过滤图像中表现为偏振依赖的条纹。通过改变激光脉冲和电子脉冲之间的时间延迟，他们跟踪了光激发表面等离激元随时间的演化，实现了在纳米飞秒尺度对表面等离激元的直接可视化（图2b）。 图2：a、t= ps（左）和t=0 ps（中、右）时的能量过滤图像，激光偏振方向如绿色箭头所示；b、不同时间延迟下的能量过滤图像，其中激光脉冲的偏振方向与a（中）的偏振方向相同。 棒状纳米结构的PINEM效应被广泛用于识别4D超快电镜中泵浦激光脉冲和探测电子脉冲的时空重叠。但是在这些实验中激光脉冲的偏振应该垂直于纳米结构的纵向轴，以最大限度地提高近场激发，这就使得这种方法在实际使用中受到一定限制。相比之下，银膜的PINEM信号不存在偏振依赖性，即入射飞秒激光的偏振可以是任意方向的，这使得银膜成为识别4D超快电镜时间零点的更好平台。此外，能量过滤PINEM图像上观察到的条纹也可能与光诱导周期表面结构(LIPSS)的机理有关，而LIPSS的形成过程是一个复杂的非平衡过程，其物理机制尚不清楚。鉴于PINEM成像的高时空分辨率，未来可进一步用PINEM技术从实验上 探索 LIPSS的物理机制。该研究工作不仅为各种微纳结构与超材料的表面等离激元分布及动力学研究提供了高时空分辨手段，同时对于银膜表面等离激元的激光能量密度和偏振依赖性，以及超快动力学过程的研究结果对微纳尺度表面等离激元器件的设计和应用具有重要指导意义。 南开大学物理科学学院付学文教授为论文第一作者兼通讯作者，Yimei Zhu教授为共同通讯作者，南开大学2020级硕士生孙泽鹏为共同一作，南开大学为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金委、国家 科技 部、天津市 科技 局、中央高校基础研究经费等的大力支持。

拓扑光子学 开始于拓扑边缘态作为鲁棒波导的发现，而另一种最常用的光学元件--光腔也可以利用拓扑缺陷态做出性能上的独特创新。近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室L01组陆凌研究员等人的团队，理论提出并且实验证实了一种全新的 拓扑光子晶体微腔 —— 狄拉克涡旋腔 ， 不但可以支持任意简并度的腔模 ， 而且是目前已知光腔中, 大面积单模性最好的 。这个拓扑光腔填补了半导体激光器在选模腔体设计上的空白，为下一代高亮度单模面发射器件提供了符合商用激光器 历史 规律的新发展方向，对激光雷达和激光加工等技术有潜在的积极意义。此项工作也是对拓扑物理应用出口的一次 探索 ，相关研究成果以“Dirac-vortex topological cavities”为题于2020年10月19日在线发表在Nature Nanotechnology杂志网站上（）， 相关专利也已获得授权。

半导体激光器因其体积小、效率高、寿命长、波长范围广、易于集成和调制等优点被广泛应用于通信、加工、医疗和军事等领域。 其中单模器件因为其最理想的线宽和光束质量 ， 成为众多应用的首选 ， 而单模工作的关键是选模 ， 依靠的都是光子晶体结构 （图一）。比如整个光纤互联网络的光源是分布式反馈激光器（Distributed Feedback: DFB，图1左上），早期的DFB激光器采用一维周期光栅结构选模，但是因为有两个带边模式相互竞争，导致单模输出不够稳定。教科书般的解决方案是引入一个缺陷（四分之一波长的相移，图1右上），进而在光子带隙正中间产生一个缺陷模式，保证了稳定单模工作。此外，现在广泛使用于近距离通讯、光电鼠标、激光打印机和人脸识别中的垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting lasers: VCSEL）的谐振腔也同样利用了带间缺陷态来选模。然而由于上述两种主流产品都是采用一维光子晶体来选模的，所以在其他两个没有周期结构的方向就因为没有选模机制而无法在尺寸上超过波长量级，否则就会多模激射。器件尺寸上不去，单模功率也就遇到了瓶颈。 一个自然的提高单模功率的方案是采用二维光子晶体结构 ，而二维光子晶体面发射激光器（photonic-crystal surface-emitting lasers: PCSEL，图1左下）的产品也已经在2017年由日本滨松公司成功推出，具有大面积单模输出、高功率、窄发散角等多方面优势，但PCSEL也至少有两个高品质因子(Q)的带边模式相互竞争。因此，如果能像一维主流产品DFB和VCSEL那样， 设计出鲁棒的二维带间缺陷模式 ， 有可能成为未来高功率单模激光器的主流方向 。

物理所的研究团队运用拓扑原理设计出了具有二维带间缺陷模式的光腔 。团队首先意识到DFB及VCSEL中的一维缺陷态其实是拓扑的，与很多熟知的一维拓扑模型相等价，包括Shockely, Jackiw-Rebbi和SSH模式。特别是高能物理中的一维Jackiw-Rebbi模式有直接的二维对应，即Jackiw-Rossi模式，是狄拉克方程的质量涡旋解，并且原则上可以在凝聚态体系的蜂窝晶格中用广义的Kekulé调制来实现（HCM模型）。团队通过涡旋调制狄拉克光子晶体设计出了这种拓扑光腔，并且实验上在硅晶片(SOI)上和光通信波段（1550nm）实现了这种狄拉克涡旋腔（图1右下）。 该腔可实现带间单模 、 任意多简并模式 、 最大的自由光谱范围 、 小远场发散角 、 矢量光场输出 、 模式面积从微米到毫米范围可调以及多种衬底兼容等优良特性 。

最佳的大面积单模性是狄拉克涡旋腔有别于其他已知光腔的最独特优势 ，大面积单模性有利于提高单模激光器的功率和稳定性。市场对于功率的需求永远在增长，已有产品在单模能量输出上已经达到瓶颈，需要新的思路。而且高功率和单模本身就是一对矛盾，因为高功率需要大面积的光腔，而模式数量必然随着光腔的尺寸增加，让单模工作更加难以稳定维持，现在狄拉克涡旋腔的出现就是一个潜在的新技术路线。光腔的单模性可以用自由光谱范围（Free Spectral Range: FSR）来表征，之前已知所有光腔的模式间距（FSR）都和模式体积成反比（V -1 ），所以增大FSR的方法就是减小腔的体积。但是狄拉克光腔的FSR与模式体系的根号成反比（V -1/2 ，图1右下），所以在同等模式体积下FSR远超普通光腔（大一到两个数量级）。形成这一区别的原因是普通光腔中的光子态密度为一个非零常数，模式等间距排布；而狄拉克点频率处的光子态密度等于零，两边的模式间距（FSR）最大化（图2左）。

任意模式简并度是狄拉克涡旋腔另一个独特的地方 ，因为体系的拓扑不变量为涡旋的缠绕数（winding number: w），所以拓扑中心腔模的数量等于w，可以是任意正负整数，而且所有w个拓扑模式都是接近频率简并的，图2右展示了w=+1,+2,+3的实验光谱。高度简并光腔能降低多模激光的空间相干性，可用于激光照明技术中。

论文的通讯作者为物理所陆凌研究员，共同第一作者为南开大学与物理所联合培养的博士生高晓梅（现为物理所博士后）和物理所博士生杨乐臣，其他作者为物理所博士生林浩、南开大学本科生张琅（现为耶鲁大学博士生）、清华大学高等研究院汪忠研究员、北京理工大学物理学院李家方教授（原物理所副研究员）和南开大学物理科学学院薄方教授，拓扑微腔的样品制备在中科院物理所微加工实验室完成，物理所博士后李广睿参与了工作的后期讨论。该工作得到了国家重点研发计划（2017YFA0303800, 2016YFA0302400），国家自然科学基金 (11721404)，中科院先导专项(XDB33000000)和北京市自然科学基金 (Z200008)等项目的支持。