新品来袭| “空间和时间的结合”— 纳米分辨和飞秒级别的光谱

时间是和客观实体的运动相联系的，对时间认识的广度和精度反映的是人类对客观世界认识的广度和精度。从孔夫子的“逝者如斯夫”到现代科学极限普朗克时间，人类从未放弃对时间的不断思索。1923年，H. Hatridge等人diyi次通过液相反应流动管实现了优于秒级时间分辨的实验，由此发展而来的停-流法将时间分辨进一步提高到数十毫秒并延用至现今诸多科学实验。1960年代开始，随着红宝石激光器技术的广泛应用，超短脉冲技术不断突破，人类对光谱研究的时间分辨也正式步入皮秒乃至飞秒级，激发态分子内能量转换过程、液相化学反应过程、激发能的系间跃迁速率、振动态弛豫等一系列相关科学方向的研究因此得以蓬勃发展。

时间和空间是相互关联的，根据爱因斯坦的狭义相对论，任意运动过程是通过速度将空间和时间联系在一起的，只有在极限速度下我们才可以确认时空分割的精度。随着超快时间光谱研究的深入，科学家们自然地将空间分辨纳入到了时间分辨的讨论范围，于是一种同时结合高时间分辨和高空间分辨的技术手段应运而生。德国neaspec公司在10纳米空间分辨光谱技术上，利用独 家的双光路设计，集成第二路超快激发光，实现了Z高50飞秒的超快光谱测量，diyi次将超高的时间分辨和空间分辨进行了统一。

图一：AFM探针上的双光路设计确保时间分辨光谱的实现

2014年，该设计理念在实验室成功搭建并商业化后，首先在红外光谱领域中被广泛应用于半导体载流子激发-衰减过程，黑磷表面极化电子-空穴生成，相变材料光诱导响应速度等一系列微纳领域超快过程的研究。近年来，太赫兹光谱技术逐渐兴起，由于其具有能量低，生物友好，兼有电子学和光子学特点等特性而受到广泛关注。neaspec公司也于今年推出了一款全新的基于太赫兹TDS技术的纳米超快光谱，实现了在太赫兹波段的pump-probe集成。

图二：A. 纳米超快光谱在一维纳米线中对载流子衰减过程的研究；B. 纳米超快光谱在多层石墨烯中泵浦激发消逝过程的研究

参考文献：

[1]《超快激光光谱学原理与技术基础》，2013，北京化学工业出版社

[2] Artifact free time resolved near-field spectroscopy, 2017, Optics Express, 24231

[3] Ultrafast and Nanoscale Plasmonic Phenomena in Exfoliated Graphene Revealed by Infrared Pump−Probe Nanoscopy, 2014, Nano Letter, 894

[4] Ultrafast multi-terahertz nano-spectroscopy with sub-cycle temporal resolution, 2014, Nature Photonics, 841