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一隱歌聲 物理春風(fēng)醉萬城 隱形無意麗歌聲 聆聽高處吟阿秒 竟是泉邊弱柳鶯 1. 引子 小時候，老師就教我們名句“眼見為實”。這一樸素邏輯對理解物理學(xué)有重要推進作用：任何物理現(xiàn)象或機制，都值得竭盡所能去“看”，看到才算是了。這種“看”，當(dāng)然不僅僅是樸素地用眼睛看，而是基于嚴謹邏輯和定量推演去“看”和看到，因此是廣義的“看”。從這個角度，物理學(xué)的進步就是如此千千萬萬個追求“看”的故事所結(jié)成。這是物理人的精神、更是物理人的宿命！ 當(dāng)經(jīng)典物理學(xué)克服一個又一個障礙，走向高端的時候，這種“看”的訴求卻有了諸多坎坷與掙扎。到了今天，我們是不是到達了“看”的終點和極點，開始成為一個問題。宋代袁燮在《登塔二首》中說： 遠望巍峨聳百尋，今朝特達快登臨。 最高未是真高處，無盡應(yīng)須更盡心。 雖然這首詩是豪邁和具有哲學(xué)意義的感悟，卻也與物理的追求切合，只有本著“最高未是真高處，無盡應(yīng)須更盡心”，才能看到更遠、更深刻，大概就是這個道理。 然后，物理就到了量子世界。首先，量子讓我們見識了測不準原理，微觀世界中的相互作用影響我們“看清”世界的能力。因為“看”是一種過程，必須要對被看的對象有某種作用，從而影響被看對象的狀態(tài)，因此我們“看”不到原始。也因為“看”是一種基于場的邏輯，有時空的概念，“看”需要時間、空間的延續(xù)和強弱高低的測度，因此“看”成為一個過程。從這個意義上說，物理是成也是“看”敗亦“看”，變?yōu)橐话氵壿嫛?/span> 現(xiàn)在，“量子隱形傳輸”的概念開始甚囂塵上。所謂隱形傳輸，意味著我們應(yīng)該“看”不到傳輸這個過程，因為這一傳輸是即時的、無需現(xiàn)實世界“傳”與“輸”的時空特征。這一概念的世俗版，大概就是在日常生活中大行其道的那些“時光隧道”和“時空穿越”。對于“隱形傳輸”，百度百科是這樣說的： 量子隱形傳態(tài) (quantum teleportation)，是一種利用分散量子纏結(jié)與一些物理訊息(physical information) 的轉(zhuǎn)換來傳送量子態(tài)至任意距離處的技術(shù)。它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息。在量子糾纏的幫助下，被傳輸?shù)牧孔討B(tài)經(jīng)歷“超時空傳輸”，在一個地方消失而無需任何載體攜帶，又在另一地方神秘出現(xiàn)。量子遙傳并不會傳送任何物質(zhì)或能量，因此無法傳遞傳統(tǒng)的資訊、無法使用在超光速通訊上。量子遙傳與一般所說的瞬間移動沒有關(guān)系：量子遙傳無法傳遞系統(tǒng)本身，也無法用來安排分子在另一端組成物體。 無論如何，隱形態(tài)及其傳輸在量子世界中堂而皇之誕生并茁壯成長。 不過，這里的隱形傳輸依然太過浪漫，隱去的是一種信息。如果我們?nèi)ふ夷蹜B(tài)物理中是否存在隱形的對應(yīng)，至少是字面上的對應(yīng)，卻發(fā)現(xiàn)并非空手而歸。最近的一些進展，也堂而皇之地提出了“隱形態(tài) (hidden phase)”的概念，雖然其蹤跡可以追溯到半個世紀之前。 圖1. 隱形態(tài)的藝術(shù)家概念，其中被銀色帷幕遮擋住的是什么，并不那么容易從“看”到的視覺上確定下來。 https://www.futurity.org/quantum-hidden-state-of-matter-1791822-2/ 2. 熱力學(xué)的視野 要話語所謂隱形態(tài)，可能最好從物理人描述凝聚態(tài)的基礎(chǔ)熱力學(xué)開始。對物態(tài)的描述，熱力學(xué)構(gòu)建了一整套完備的概念體系。由物質(zhì)的基本相互作用 (比如電磁相互作用) 出發(fā)，熱力學(xué)構(gòu)造出體系自由能對各類場變量 (溫度、壓力、電磁場等) 的依賴關(guān)系。這種關(guān)系一旦確定，我們即假定，在時間上足夠長和空間上足夠廣的區(qū)域中，組成物相的所有基本單元都會展示其遍歷性 (ergodicity)。而熱力學(xué)上可能的所有物相也一定存在于場變量空間中，即存在于相圖中。例如，改變溫度，一種物質(zhì)在不同溫度區(qū)域會展示不同的熱力學(xué)最可幾物態(tài)，包括結(jié)構(gòu)、對稱性、可期待的物理性質(zhì)等等。物態(tài)之間的轉(zhuǎn)變通過相變聯(lián)系起來。改變壓力或者其它場變量 (電場、磁場、光場等)，也有類似過程。因此，相變與物態(tài)成為凝聚態(tài)的核心部分。當(dāng)然，最近的拓撲物理開拓了第二條道路，試圖繞過相變途徑。目前這一道路是陽關(guān)道亦或是獨木橋，尚待觀察。 凝聚態(tài)物理的內(nèi)涵之一，就是借助各種工具與理論，掃描整個熱力學(xué)遍歷空間，以得到一系列自由能極小值 (注意，不一定是最小值)，就像圖 2 所俯瞰之群山一般。這種掃描，通常借助于改變各類場變量來實現(xiàn)。每一個極小值對應(yīng)于一種狀態(tài)，在合適的熱力學(xué)環(huán)境中可能就是某種最穩(wěn)定物態(tài)。這大概就是凝聚態(tài)物理的熱力學(xué)視野。它給人一種印象，或者給人設(shè)定某種范式：只要一張相圖，即可覽盡這一體系的全部 (凝聚態(tài)) 物理。因此，相圖即總綱、綱舉目張。這也是物理人每每看到某一體系相圖的文章時，就激動不已的原因。 圖2. 來自網(wǎng)絡(luò)中的俯瞰群山，對應(yīng)于自由能輪廓。其中，每一處山谷可能對應(yīng)一種物態(tài)，原則上可能通過改變場變量條件，而使得每一個山谷成為最低的山谷。此時，這一物態(tài)就成為熱力學(xué)上可觀測態(tài)。 https://www./aerial-view-of-snow-covered-mountains-western-china-east-asia-image66518116.html 既然熱力學(xué)及相圖對某一凝聚態(tài)體系如此重要，何不就此潑一盆冷水呢？！ 事實上，視野之外的隱形態(tài)就是這樣一盆冷水，澆到物理人熾熱的心靈之上。所謂隱形態(tài)，最通俗直觀的說法，就是熱力學(xué)相圖中不存在的那些物相 ifany，較為嚴格的表述應(yīng)該是熱力學(xué)遍歷性不能覆蓋的那些物相、或者遠離平衡的那些物相。這些不“存在”的物相稱之為隱形態(tài)，而相圖中那些存在的相則稱之為顯形態(tài)。一個體系，晶體結(jié)構(gòu)上的非晶態(tài)就是典型的隱形態(tài)，最不可思議的就是水或冰還有很多可能的隱形態(tài)，最難以捉摸的就是關(guān)聯(lián)量子體系中那些看不見、摸不著、剪不斷、理還亂的電子物相。 很顯然，這樣的定義過于學(xué)究氣，不易看懂實質(zhì)內(nèi)容，基本上沒有涉及隱形態(tài)與顯形態(tài)到底是什么的問題。如果接地氣一些，要去“看”到這些隱形態(tài)，至少有如下兩點值得關(guān)注： (1) 如何能夠?qū)⒁粋€相圖中所有的遍歷物態(tài)都找到而沒有遺漏？如果有遺漏，那就會給判定是隱形態(tài)或顯形態(tài)帶來困難。假定場變量很多，一個體系的熱力學(xué)相圖可能較為復(fù)雜。絕大多數(shù)情況下，可能很難將相圖做得完備，很難界定是不是有遺漏的顯形態(tài)。其次，隱形態(tài)與非平衡態(tài)經(jīng)常難以區(qū)分。例如，偏離熱平衡的相算什么？如果這種非平衡是熱過程引起，那熱弛豫會回歸穩(wěn)態(tài)，與隱形態(tài)并非完全等同。 (2) 物理上，對顯形態(tài)之間相變的唯象學(xué)描述有兩個不同層面：熱力學(xué)與動力學(xué)。熱力學(xué)與體系始態(tài)、終態(tài)有關(guān)，而動力學(xué)強調(diào)始態(tài)、中間態(tài)和終態(tài)之間的渡越。因此，物理上有弛豫的概念，也就有特征弛豫時間的概念。到目前為止，物理人的認識是：不同體系的特征弛豫時間可橫跨二十個量級以上。這一極寬的弛豫時間譜，給實驗探測亞穩(wěn)的顯形態(tài)帶來困難，更給探測所謂的隱形態(tài)帶來困難。如此，怎么能夠確定實驗所探測到的某種物態(tài)一定是隱形態(tài)？ 圖3. 如何到達隱形態(tài)那里是理想者的夢。左側(cè)是激發(fā)原理示意圖，右側(cè)是超快光子激發(fā) (上) 與探測 (下) 示意圖。 https://en./wiki/Hidden_states_of_matter https://www.news./news/2016/08/10/nanoscope 3. 去“看”隱形態(tài) 如此，基于熱力學(xué)視野，探索隱形態(tài)就成為視野外的一種嘗試。正因為是視野之外，亦因為足夠新穎，才有了很多實驗嘗試。其中，所謂“光致相變photo-induced phase transitions”的出現(xiàn)，為尋找隱形態(tài)提供了一方契機，逐漸引起物理人的興趣和關(guān)注。有興趣者，可以閱讀早些年的相關(guān)書籍，如 K.Nasu 編撰的 “Photo-induced phase transitions” (World Scientific Publishers, 2004, Singapore)。 這種興趣分為兩個層面：到達與探測。 首先，當(dāng)然是能夠到達隱形態(tài)那里。借維基百科及網(wǎng)絡(luò)之便，以圖 3 之卡通所演示的原理示意圖來說明到達隱形態(tài)的道路：一個熱力學(xué)體系，處于基態(tài) G。如果一個電子吸收一個光子，只要光子能量合適，電子就可能被激發(fā)到高位激發(fā)態(tài) E 處。隨后，處于 E 態(tài)的電子就可能借助諸如Frank-Condon 弛豫之類的機制到達某個局域有序中間態(tài) I。體系中許多此類局域中間態(tài) I 借助相互作用，形成某種宏觀有序的亞穩(wěn)態(tài) H。注意到，這里的局域中間態(tài) I 和這些 I 態(tài)之間的相互作用是新產(chǎn)生的、原來熱力學(xué)遍歷之外的新物理，因此這一有序態(tài) H 稱之為隱形態(tài)。 無需細細思量，就能看出隱形態(tài)有兩種前途：(1) 如果隱形態(tài) H 與基態(tài) G 之間的勢壘EB 不高，隱形態(tài)很快就會油盡燈枯，回歸顯形基態(tài) G。(2) 如果 EB 足夠高，高于熱漲落能量，則這一隱形態(tài)有可能具有較長壽命，為我們?nèi)ァ翱础逼涿婺刻峁┝藱C遇。 事實上，到目前為止，一系列研究工作揭示出很多隱形態(tài)，諸如前面提及的水與冰，諸如非晶態(tài)。通過諸如超快冷卻技術(shù)，只要冷卻速率足夠快，或者基于液-固晶體相變過程足夠慢的原理，局域原子分子排列的無序態(tài)可以擴展到宏觀尺度，使得非晶態(tài)成為材料科學(xué)關(guān)注最多、最廣泛的一種隱形態(tài)。當(dāng)然，非晶態(tài)在晶格結(jié)構(gòu)上高度無序，但帶給電子結(jié)構(gòu)和其它功能方面的變化并不多。因此，非晶態(tài)合金或半導(dǎo)體所展示的現(xiàn)象、效應(yīng)和性能豐度有限。如果我們關(guān)注電子結(jié)構(gòu)層次的隱形態(tài)，可能需要關(guān)注的多是那些壽命在 ps (10-12 s) 量級、及至fs (10-15 s) 或as (10-18 s) 量級。本文的討論姑且局限于此類。 其次，要想辦法“看”到隱形態(tài)。這里“看”成為當(dāng)前的前沿。如果 EB 很小，隱形態(tài)的壽命太短 (比如 < as)，物理人還缺乏足夠快和短的分辨技術(shù)去“看”這么短的過程。如果 EB 較大，壽命超越 ps 甚至到 ns，新的問題來了：固體被光子激發(fā)，除了從 G 態(tài)激發(fā)到 E 態(tài)的過程，體系一定伴隨其它晶格吸收的進程，熱效應(yīng)不可避免。而在常態(tài)條件下，一般固體聲子特征時間在ps尺度。因此，聲子熱傳導(dǎo)將覆蓋物理人對長壽命隱形態(tài)的探測。由此，“看”清隱形態(tài)的時間窗口是如此狹窄、難以捕捉。 幸運的是，最近十多年，飛秒激光技術(shù)和 THz 光譜技術(shù)的發(fā)展為在凝聚態(tài)量子體系中“看”到隱形態(tài)提供了諸多有效選擇，從而刺激了研究工作的進程。這種刺激自然有其必然性與物理機緣。我們可以粗略梳理如下： (1) 再說一遍，凝聚態(tài)的相圖基于熱力學(xué)視野，基于時間上足夠長、空間上足夠廣的相空間區(qū)域中之遍歷行為。熱力學(xué)過程、或者說近平衡過程，是熱力學(xué)視野的立足點。反過來說，如果是極度偏離熱平衡的過程，隱形態(tài)呼之欲出并非沒有可能?？紤]到固體中聲子的時間尺度在 ps，激發(fā)隱形態(tài)的時間尺度應(yīng)該比之更短。 (2) 擁有了技術(shù)和手段，有可能在哪些體系看到隱形態(tài)呢？事實上，基于圖 3 所示的機制并非是理所當(dāng)然的。平常固體，如金屬和一般半導(dǎo)體，如果受激光激發(fā)，電子吸收光子后激發(fā)到高能級，固體最可能的后果是熱電子受激態(tài)，如等離子態(tài)。此時，除等離子激發(fā)外，并無太多新奇物理可言，其結(jié)果可歸入一般基礎(chǔ)熱物理過程。然而，如果是關(guān)聯(lián)固體中的電子受激激發(fā)，事情很不一樣，豐富物理和可能的隱形態(tài)或者成為可能。其一，關(guān)聯(lián)體系存在可調(diào)控電子帶隙，很大程度上阻斷了固體在電子吸收光子后激發(fā)到熱電子態(tài)或等離子態(tài)。其二，關(guān)聯(lián)體系中，電子各自由度與晶格自由度之間的關(guān)聯(lián)耦合使得物理問題變成多體問題，易于形成豐富的隱形態(tài)，從而是發(fā)現(xiàn)并調(diào)控新物態(tài)的良好體系。因此，過渡金屬氧化物、硫系化物 (chalcogenides)、甚至一些過渡金屬間化合物等，都成為探索和研究隱形態(tài)的候選對象，在 2000 年前后得到廣泛關(guān)注。 (3) 基于隱形態(tài)的時空性質(zhì)與承載體系，已經(jīng)有了一系列基于飛秒激光或 THz 譜源誘發(fā)隱形態(tài)的實驗技術(shù)。這些技術(shù)包括光的泵浦和超快探測兩個環(huán)節(jié)，能夠基于動量空間的散射或成像方法，將隱形態(tài)“顯”像出來。一些典型技術(shù)示于圖 4，而詳細技術(shù)細節(jié)在此不再啰嗦?？淳缬信d趣，可尋找相關(guān)文獻一覽為快。 圖4. 基于飛秒激光光源和 THz 譜源泵浦的超快探測技術(shù)方案，包括 X 射線、電子束、非彈性散射、電子顯微術(shù)等技術(shù)已經(jīng)有所報道。 https://books./books?id=7KFTDwAAQBAJ&pg=PA43&lpg=PA43&dq 4. 揭秘隱形態(tài) 行文到此，還很少觸及問題的核心，即為何要費盡心機去看那些若有若無、生命短促的隱形態(tài)？ 眾所周知，凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的主體是物相。從最粗略的固、液、氣等離子體的大類分類，到固體中基于化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、對稱性、電子結(jié)構(gòu)不同所對應(yīng)的物態(tài)，無一不是凝聚態(tài)的至高目標(biāo)。這里討論隱形態(tài)，亦是新物態(tài)，因此正好符合此一主體。尋找新物態(tài)，既是凝聚態(tài)物理最激動人心的目標(biāo)之一，亦會是新生長點與新方向的載體。 對母體物相，除了變溫和施加壓力這些經(jīng)典熱力學(xué)視野之內(nèi)的物相調(diào)控手段，如前所述，視野之外最值得稱道的手段便是光致相變 (photo-induced phase transitions) 了，可以產(chǎn)生相圖之外豐富的光致隱形態(tài) (photo-induced hidden phase, PHP)。這是其二。 對這些PHP 光致隱形態(tài)，共同的興趣在于兩個關(guān)鍵點： (1) 局域的有限光子注入，只是一個局域絕熱激發(fā)過程。激發(fā)引起的電子躍遷到高能級，最多也就是引起局域晶格畸變和電子結(jié)構(gòu)變化，但這種局域變化卻能夠擴展到宏觀尺度，形成一個可定義的熱力學(xué)上的物相。這里的問題是：為什么局域激發(fā)能到達一個宏觀尺度的隱形態(tài)出現(xiàn)？并穩(wěn)定存在一段時間？ (2) 與一般熱激發(fā)物態(tài)比較，如此激發(fā)到達的隱形態(tài)結(jié)構(gòu)上有不同之處？有哪些有趣與新穎的性能？發(fā)現(xiàn)與理解這些性能，才是尋找這些物相的驅(qū)動力。 再說一遍，熟悉關(guān)聯(lián)量子物理的學(xué)者，馬上就能意識到第一個關(guān)鍵點并非奇聞異事。因為電子多重自由度與晶格自由度耦合在一起，關(guān)聯(lián)量子系統(tǒng)從一個物相轉(zhuǎn)變到另一個物相所需要跨過的勢壘不高，各個物相幾乎是簡并的 (degenerate)。這些特征決定了關(guān)聯(lián)量子體系具有：相圖豐富、多相共存與競爭明顯、對外場響應(yīng)敏感。圖 5 是一個簡單的卡通示意圖，展示一個關(guān)聯(lián)量子體系中電荷、自旋、軌道、極化的耦合。同時，外來激發(fā)，如中子束、電子束、光子束、muon束等，介入這些自由度及其耦合，會帶來豐富的額外物理。這是關(guān)聯(lián)量子材料的主要內(nèi)涵。 毫無疑問，對這類體系，熱力學(xué)視野之外的隱形態(tài)也一定比簡單體系的隱形態(tài)多。一個關(guān)聯(lián)體系，即便是局域吸收光子，使得局域晶體結(jié)構(gòu)和電子態(tài)發(fā)生了變化，也很可能會觸發(fā)這一區(qū)域迅速擴散，形成宏觀疇區(qū)域，形成新的宏觀物相。圖 6 即為這一過程的一種卡通表達。這些隱形態(tài)與原來的有序基態(tài)可以在很多方面體現(xiàn)出巨大差別。 正因為如此，隱形態(tài)的探索主要在高溫超導(dǎo)、錳氧化物等過渡金屬化合物中進行，最近也有很多針對硫系過渡金屬化合物的探索。注意到，錳氧化物在物理人探索隱形態(tài)方面占據(jù)了重要地位。 圖5. 強關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)的各自由度與外部激發(fā)，構(gòu)建了關(guān)聯(lián)物理的主要元素。 http://www.qpec.t./research02-e.html 圖6. 一個關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)，其基態(tài)是電荷、自旋和軌道有序態(tài)，其中藍色箭頭和紅色箭頭形成 zigzag 反鐵磁序。外來光子束激發(fā)后，中心區(qū)域的自旋與軌道序被破壞。由于這一隱形態(tài)與基態(tài)能量相差無幾，這一光激發(fā)隱形相會迅速擴張為宏觀疇，即宏觀新相。 http://qcmd.mpsd./index.php/research-science.html This graphic depicts an ultrashort pulse of mid-IR light (yellow arrow) distorting a manganite crystal lattice to induce melting of charge, orbital and magnetic order. 5. 更高、更快、更強 上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院的陳潔教授團隊和華東師范大學(xué)、德克薩斯農(nóng)工大學(xué)合作，最近在揭示錳氧化物隱形態(tài)方面完成了一項實驗工作。陳潔老師過去很多年一直致力于超快激光光譜、超快 X-射線光譜和超快電子衍射的研究工作，背景與經(jīng)驗深厚。因此，她的團隊開展錳氧化物隱形態(tài)的探索，毫不奇怪，應(yīng)屬駕輕就熟。 從圖 6 所示的卡通機理，可以推測，一束光子轟擊一個高度有序的錳氧化物體系 (例如 R1-xAxMnO3，其中 R 為稀土離子、A 為堿土金屬離子)，最大可能出現(xiàn)的是某種比當(dāng)前基態(tài)相無序的物相。如果有某個對稱性不同、或者對稱性高一些的“隱形態(tài)”出現(xiàn)，那已經(jīng)是求之不得、歡欣不已了。事實上，早期很多研究工作，都是按照這個邏輯開展的，結(jié)果也大概如此。 除此之外，過往的實驗都是在低溫環(huán)境下進行，以確保材料的初始基態(tài)是高度有序態(tài)。而陳潔老師他們卻別出心裁，開展的是高溫隱形態(tài)的探索。她們挑選了 La0.7Ca0.175Sr0.125MnO3 (LCSMO) 薄膜這一體系。LCSMO 低溫下基態(tài)是鐵磁金屬 FM 相，高溫相是順磁絕緣 PM 相，金屬 - 絕緣體轉(zhuǎn)變 MIT 發(fā)生在室溫附近，即轉(zhuǎn)變溫度 TMIT < 300 K。中子衍射結(jié)果顯示，在 300 K附近，體系呈現(xiàn)的實際上是非典型的順磁態(tài)，即順磁態(tài)中鑲嵌著一些電荷 - 軌道有序的 CE 型反鐵磁 (CE-AFM) 團簇，也就是電子相分離的典型結(jié)構(gòu)。 挑選 LCSMO 這一體系，可能有幾個動機： (1) 錳氧化物具有豐富的自旋電子學(xué)新效應(yīng)，但沒有一個體系在室溫以上具有可用的良好性能，因此能夠在室溫以上找到一些新的有序物相，即便是隱形態(tài)，將是一件予人希望之舉。這是更高。 (2) 在室溫附近，100飛秒的光脈沖就能激發(fā)出高度分辨的鐵磁態(tài)，這預(yù)示出高溫區(qū)段隱形態(tài)激發(fā)具有更短的特征時間。這是更快。 (3) 在一個無序順磁態(tài)中，在光子能量超過閾值后，電子吸收光子，能夠激發(fā)出電子有序態(tài)，而不是相反，這是較為反常的現(xiàn)象。畢竟，電子是先被激發(fā)到高能態(tài)、再弛豫到低能態(tài)。這是更強。 |
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