微纳光子学领域未来展望

对于优秀的科研工作者来说，梦想是获得卓越成果的催化剂和最好的引路人。在微纳光子学领域，人们希望能像近代和现代的科学家在微电子学领域成功地操控电子那样来操控光子，从而实现具有电控光或者光控光功能的新型微纳光电器件。尽管对照微电子学的发展路线来实现微纳光子学是一种有益的尝试，但是由于光子与电子的基本特性不同，使得微纳光电器件的设计和集成原则可能也与现在的集成电路有着很大的区别。同时，由于在传统半导体工艺中缺少对微纳尺度下各种光物理过程的更为直观的研究方法，仅利用原子力显微镜 (AFM) 、扫描电子显微镜 (SEM) 、透射电子显微镜 (TEM) 、 X 射线衍射(XRD) 、X 射线光电子能谱 (XPS) 等形貌、结构及成分分析的表征手段，难以对微纳光电器件的内在物理过程进行更为细致的研究。渐渐地，这么一个梦想又在微纳光子学领域表现出来，即随着现今生活中不可缺少的各种功能器件单元的尺寸越来越小，性能越来越强，如果我们能对这些微小的光电器件中的各种关键的光物理过程进行实时的观测，分析它们受到的外界条件的影响，那么或许我们就能为进一步优化微纳光电器件的性能提供更为可靠的设计方案。

而在另一个前沿交叉领域，即对从小分子到各种纳米材料及其复合结构的光物理过程的研究中，超快光谱一直扮演着重要的角色。现代时间分辨光谱学开始于对化学键的认识和研究，尤其是对化学键的形成及断裂过程的研究。这些化学反应过程大都在亚皮秒量级 (1 ps等于 10－ 12 s)，远远超越了人眼的时间分辨能力 (大约只有 1 s)，也超过了电学设备的时间分辨极限 (皮秒量级 )。所以在 20 世纪初，直接观测化学反应的基本过程还仅仅是化学家的梦想。而超短脉冲激光器的出现使得精确测量化学反应过渡态的梦想在 20 世纪末成为了现实。其中最著名的成就就是 1987 年Ahmed Zewail 教授对化学键断裂的实时观测，他也因此于 1999 年获得诺贝尔化学奖 。借助于飞秒激光器的帮助，目前超快时间分辨光谱 (或简称超快光谱 )技术的时间分辨能力大都在飞秒 (1 fs等于 10－ 15 s)到亚皮秒量级。恰巧的是，这些在光化学和光生物学中大量存在的涉及电荷转移和能量传递的过程 (在亚皮秒到纳秒量级的时间范围内)现在也正逐渐成为光电子学领域中的重要研究内容之一 。当微纳光子学遇到超快光谱时，物理空间的分辨尺度便与光物理过程的时间分辨尺度相结合。

面对形形色色的荧光纳米材料，不仅传统的 AFM ，TEM，SEM 等表征手段只能观察到粒子的形貌，而且一般的超快光谱技术也仅能反映材料的某种物理特性随 时 间 变 化 的 系 综 平 均 效果。此外，还不同于单纯研究的纳米材料，当这些新型光电功能材料作为微纳光电器件单元出现时，它们之间的光—电 /电—光转换及其光互联过程的机理研究也对超快光谱的空间定位能力提出了更高的要求。那么，有没有这样一种既 具 有 极 高 的 空 间 分 辨 能力，又有足够的时间分辨能力的先进仪器呢？这在上个世纪，最初也只是某个人心中的一个梦想。然而，很快地，他将这个梦想以基于透射电子显微镜的同步单电子成像的形式实现了。这个人正是前面提到过的“飞秒化学之父” ——Ahmed Zewail 教授。确实，受到Ahmed Zewail 教授工作的激励，其他形式的高空间分辨的四维时间分辨光谱也逐渐建立起来，大大扩展了我们对原子尺度下结构导致的各种物理现象的认识。例如，通过结合扫描隧穿显微镜(STM) 和对自旋敏感的全电学泵浦—探测构架，就能够对单个原子的电子自旋弛豫进行纳秒尺度的时间分辨测量 。从这些卓越的工作成果中可以看到，如果能将四维时间分辨光谱技术从飞秒化学关注的领域引入到微纳光子学中，即便没有电子显微镜那么强大的空间分辨能力，也将极大的丰富我们探索微纳尺度下物理规律时获得的知识和成果。超快光谱和微纳光子学之间擦出的火花才刚刚绽放。在这个前沿交叉领域，各种思想的碰撞描绘出了广阔的应用前景。我们相信现代的四维显微系统及其各种变化形式将在探索新现象和获取新知识的道路上发挥独特的作用 。这些寄语仍然激励着在各个科研前沿领域追寻着各自梦想的科研工作者们。追寻梦想的过程漫长又艰辛，但是心怀梦想的我们从未停止探索的脚步，期望通过自身的努力，一步一个脚印地解决前进中的问题以实现自己的梦想。

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